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Dokumentenidentifikation DE102006029035A1 03.01.2008
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung und Detektion in Amplitude, Phase und Polarisation geformter Laserpulse
Anmelder Freie Universität Berlin, 14195 Berlin, DE
Erfinder Lindinger, Albrecht, Dr., 14167 Berlin, DE;
Weber, Stefan Martin, 12053 Berlin, DE;
Plewicki, Mateusz, 12053 Berlin, DE;
Weise, Fabian, 10999 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 15.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006029035
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G02B 27/10(2006.01)A, F, I, 20060615, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01S 3/10(2006.01)A, L, I, 20060615, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung geformter Laserpulse, mit einem Pulsformer, der von einem zu formenden Laserpuls durchlaufen wird und mindestens ein im Strahlengang des Laserpulses angeordnetes Modulatorelement aufweist, wobei der Pulsformer ausgebildet ist, den zu formenden Laserpuls in seine spektralen Anteile zu zerlegen, die spektralen Anteile dem mindestens einen Modulatorelement zuzuführen und anschließend zu einem geformten Laserpuls wiederzuvereinigen, und das mindestens eine Modulatorelement ausgebildet ist, die spektralen Anteile des Laserpulses in ihrer Polarisation einzustellen. Die Erfindung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsformer (10) zusätzlich mindestens ein im Strahlengang (S) des Laserpulses (L, Lx, Ly) angeordnetes polarisierendes Element (120, 121) aufweist und ausgebildet und vorgesehen ist, mittels des mindestens einen Modulatorenelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) und des mindestens einen polarisierenden Elements (120, 121) des Laserpuls (L) in Amplitude, Phase und Polarisation unabhängig voneinander zu formen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zur Herstellung geformter Laserpulse sowie ein Verfahren zur Detektion geformter Laserpulse. Die Erfindung löst somit die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine optimale Formung kurzer Laserpulse ermöglicht wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung geformter Laserpulse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung geformter Laserpulse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 27, ein Verfahren zur Detektion geformter Laserpulse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 42 sowie ein Computerprogramm nach dem Oberbegriff des Anspruchs 44.

Derartige Vorrichtungen dienen insbesondere zur Formung von Laserpulsen mit einer Pulslänge im Femtosekundenbereich. Die Anwendung solcher Laserpulse ist Grundlage diverser neuartiger Forschungsfelder, beispielsweise der Femtochemie, der Femtobiologie, der Hochfeld-Plasmaphysik oder der Materialbearbeitung. Auch die Pulserzeugung mittels Lasersystemen ist aktueller Forschungsgegenstand in der Lasertechnik. Im Allgemeinen ist der durch ein Lasersystem erzeugte Laserpuls dabei in seiner Form sowie Polarisation durch die Eigenschaften des verwendeten Lasersystems bestimmt und somit festgelegt. Um die Form des Laserpulses zu verändern, wird ein so genannter Pulsformer verwendet, mittels dessen der Laserpuls im Rahmen der durch den Pulsformer vorgegebenen Möglichkeiten und technischen Grenzen geformt werden kann.

Ein derartiger Pulsformer ist hierbei mit einem oder mehreren Modulatorelementen zur Modulation eines Laserpulses ausgestattet, die im Strahlengang eines den Pulsformer durchlaufenden Laserpulses angeordnet sind. Der Laserpuls, der beispielsweise durch ein in die Vorrichtung integriertes Lasersystem oder einen externen Laser erzeugt werden kann, fällt in den Pulsformer ein und wird in diesem in seine spektralen Anteile zerlegt, die daraufhin dem einen oder den mehreren Modulatorelementen zugeführt und durch diese manipuliert und abschließend zu einem geformten Laserpuls wiedervereinigt werden. Das eine oder die mehreren Modulatorelemente erfüllen hierbei die Funktion, die spektralen Anteile des Laserpulses unabhängig voneinander in ihrer Phase und Polarisation so einzustellen, dass sich ein in gewünschter Weise geformter Laserpuls ergibt.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Formung von Laserpulsen ist beispielsweise aus der Veröffentlichung A. M. Weiner, D. E. Leaird, J. S. Patel und J. R. Wullert, IEEE J. Quantum Electron. 28 (1992), 908 bekannt, in der ein Pulsformer beschrieben ist, der von einem Laserpuls durchlaufen wird und den Laserpuls dabei in seiner Phase formt. Der Pulsformer weist hierbei zwei optische Gitter und zwei Zylinderlinsen auf, die im Strahlengang des Laserpulses so angeordnet sind, dass der einfallende Laserpuls auf ein erstes optisches Gitter trifft und von diesem gebeugt und in seine spektralen Anteile zerlegt wird. Das Laserlicht verläuft dann ausgehend vom optischen Gitter in unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen, trifft auf eine erste Zylinderlinse, wird durch diese parallel ausgerichtet, einem ersten und zweiten Modulatorelement zugeführt, durch eine zweite Zylinderlinse fokussiert und durch ein zweites optisches Gitter zu einem einzigen Laserpuls wiedervereinigt. Durch die Modulatorelemente, die als Flüssigkristallarrays aufgebaut sind, werden die spektralen Anteile des Laserpulses manipuliert und auf diese Weise der den Pulsformer durchlaufende, aus den spektralen Anteilen zusammengesetzte Laserpuls in der Phase geformt.

Andere Anordnungen eines Pulsformers, bei denen die Phase und Amplitude des Laserpulses moduliert wird, sind bekannt und beispielsweise auch für einen spezifischen Aufbau in der vorgenannten Veröffentlichung beschrieben. Auch Pulsformer, die durch Verwendung eines zweiten Modulatorelementes eine Modulation der Phase und Polarisation ermöglichen, sind realisiert worden (siehe T. Brixner und G. Gerber, Opt. Lett. 26 (2001), 557). Diese weisen jedoch den Nachteil auf, dass nur eine eingeschränkte Ausrichtung der Hauptachsen bei einer elliptischen Polarisation der spektralen Anteile des Laserpulses möglich ist, indem nur zwei senkrecht zueinander stehende Richtungen der großen Hauptachse vorgegeben werden können, eine Drehung der Hauptachsen aber nicht möglich ist. Auf diese Weise kann ein Pulsformer mittels Phasen- und Polarisationsmodulation nur einen engen Teilbereich der möglichen Pulsformen einstellen.

Pulsformer, bei denen gleichzeitig Phase, Amplitude und Polarisation geformt werden können, sind bisher nicht bekannt. Alle bekannten Pulsformer erlauben lediglich eine Einstellung der Phase und Amplitude oder der Phase und Polarisation (siehe auch L. Polachek, D. Oron und Y. Silberberg, Opt. Lett. 31 (2006), 631) so dass mittels solcher Pulsformer einfallende Laserpulse nur in Bezug auf einen Teil ihrer charakteristischen Parameter moduliert werden können. Physikalische Prozesse, die durch einen solchen teilweise modulierten Laserpuls gesteuert oder angeregt werden, sind auf diese Weise nicht optimal zu beeinflussen. Des Weiteren ist bei derzeitig bekannten Pulsformern eine gezielte Einstellung des Laserpulses für eine optimale Anpassung an die gewünschte Anwendung schwierig oder nicht möglich. Insbesondere ist bisher kein Verfahren bekannt, mit dem sich eine gezielte, parametrische Pulsformung der physikalisch relevanten Parameter eines Laserpulses in Phase, Amplitude und Polarisation durchführen lässt.

Darüber hinaus besteht das Problem, dass die Detektion geformter Laserpulse und die Charakterisierung des Laserpulses hinsichtlich der die Form des Laserpulses bestimmenden Parameter mit bekannten Verfahren (beispielsweise dem POLLIWOG-Verfahren (polarization-labeled interference versus wavelength of only a glint) nur auf aufwändige Weise möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine optimale Formung kurzer Laserpulse ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß weist eine Vorrichtung der oben genannten Art dabei zusätzlich mindestens ein im Strahlengang des Laserpulses angeordnetes polarisierendes Element auf und ist ausgebildet und vorgesehen, mittels des mindestens einen Modulatorelementes und des mindestens einen polarisierenden Elements den Laserpulse in Amplitude, Phase und Polarisation unabhängig voneinander zu formen.

Die Vorrichtung weist erfindungsgemäß somit einen Pulsformer auf, der mindestens ein Modulatorelement und mindestens ein polarisierendes Element aufweist, die so in dem Pulsformer angeordnet sind, dass ein den Pulsformer durchlaufender Laserpuls in Amplitude, Phase und Polarisation moduliert wird. Das mindestens eine Modulatorelement und der mindestens eine Pulsformer wirken dabei auf die spektralen Anteile des Laserpulses ein, indem der Pulsformer den Laserpuls in seine spektralen Anteile zerlegt und die spektralen Anteile so einstellt, dass ein Laserpuls erzeugt wird, der in Amplitude, Phase und Polarisation beliebig und zeitlich veränderlich geformt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt somit die Herstellung vollständig in Amplitude, Phase und Polarisation geformter Laserpulse. Auf diese Weise ist es möglich, alle überhaupt möglichen Parameter des Laserpulses zu formen und im Rahmen der verfügbaren Bandbreite beliebige Pulsformen einzustellen. Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten solcher Laserpulse beispielsweise zur Untersuchung und Beeinflussung von Materieeigenschaften in der Licht-Materie Wechselwirkung, insbesondere der Wechselwirkung von Lichtfeldern mit Festkörpern (Weißlichterzeugung, Phononengeneration, laserinduzierte Plasmaerzeugung, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIES), Materialbearbeitung, usw.) ergeben sich und können durch Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ihrer Prozesskontrolle verbessert oder überhaupt erst ermöglicht werden.

Das mindestens eine Modulatorelement der Vorrichtung kann insbesondere als ein Array ausgebildet sein, das unabhängig voneinander ansteuerbare Pixel aufweist, die in einer Richtung senkrecht zum Strahlengang des Laserpulses versetzt angeordnet sind. Die Pixel des mindestens einen Modulatorelementes sind hierbei jeweils einem spektralen Anteil des Laserpulses zugeordnet, indem die im Pulsformer durch Zerlegung des Laserpulses erzeugten spektralen Anteile unterschiedlichen Pixeln zugeführt und durch die Pixel somit separat voneinander manipuliert werden. Durch die Wiedervereinigung der so manipulierten spektralen Anteile wird dann der geformte Laserpuls erzeugt. Grundlegend ist hierbei, dass der Laserpuls somit im Frequenzbereich – nämlich durch Beeinflussung der einzelnen spektralen Anteile des Laserpulses – geformt wird und auf diese Weise beliebige zeitliche Pulsformen im Rahmen der technischen Gegebenheiten einstellbar sind.

Das mindestens eine Modulatorelement kann vorteilhafterweise durch ein oder mehrere Flüssigkristallarrays ausgebildet sein. Alternativ ist denkbar, einen akusto-optischen Modulator oder eine doppelbrechende Phasenmaske zu verwenden.

Vorteilhafterweise ist der Pulsformer als Kompressorgitteranordnung ausgebildet, die mindestens zwei optische Gitter zur Zerlegung des Laserpulses in seine spektralen Anteile und zur Wiedervereinigung der spektralen Anteile zu dem geformten Laserpuls und zusätzlich mindestens zwei Zylinderlinsen oder Zylinderspiegel zur Fokussierung des Laserpulses aufweist. Der Laserpuls wird dabei an den optischen Gittern gebeugt, so dass der Laserpulse in seine spektralen Anteile zerlegt wird, die sich dann entlang unterschiedlicher Bahnen im Pulsformer ausbreiten, den unterschiedlichen Pixeln der Modulatorelemente zugeführt und anschließend zu dem geformten Laserpuls wiedervereinigt werden. Wesentlich bei einer solchen Kompressorgitteranordnung ist, dass die räumliche Anordnung der optischen Gitter und der Zylinderlinsen oder -spiegel so gewählt ist, dass die Elemente der Kompressorgitteranordnung – mit Ausnahme der Modulatorelemente – den Laserpuls hinsichtlich seiner Form und Pulsdauer möglichst wenig oder gar nicht verändern.

Das mindestens eine Modulatorelement kann durch ein oder mehrere Modulatorelemente gebildet sein, die im Bereich einer einzigen oder im Bereich unterschiedlicher Fourierebenen einer oder mehrerer Kompressorgitteranordnungen des Pulsformers angeordnet sind. Die Fourierebene entspricht in diesem Zusammenhang der gemeinsamen Brennebene zweier Zylinderlinsen oder Zylinderspiegel des Pulsformers, die sich im Abstand der Brennweite von den beiden Zylinderlinsen oder Zylinderspiegeln befindet und in der das Spektrum des Laserpulses beim Durchlauf durch den als Kompressorgitteranordnung ausgebildeten Pulsformer maximal aufgelöst ist. Die Zylinderlinsen oder -spiegel des Pulsformers sind dann so angeordnet, dass ihre Brennebenen paarweise zusammenfallen und zwischen zwei Zylinderlinsen oder Zylinderspiegeln sich somit jeweils eine Fourierebene ergibt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Pulsformer seriell aufgebaut, so dass der Laserpuls ungeteilt das mindestens eine Modulatorelement und das mindestens eine polarisierende Element zur Einstellung von Amplitude, Phase und Polarisation durchläuft. Vorteil dieser Variante ist, dass die erreichbare Pulsstabilität hoch und die verwendete Anordnung leicht zu justieren und zu regeln ist.

Unterschiedliche Varianten für einen solchen seriellen Pulsformer sind denkbar.

In einer ersten Variante des seriellen Pulsformers sind mindestens drei Modulatorelemente hintereinander im Strahlengang des Laserpulses so angeordnet, dass der Laserpuls die mindestens drei Modulatorelemente jeweils genau einmal durchläuft. Das polarisierende Element kann dann beispielsweise als Polarisator ausgebildet sein, der nach einem ersten oder einem zweiten Modulatorelement im Strahlengang des Laserpulses angeordnet ist und ausschließlich eine Polarisierungskomponente des Laserpulses transmittiert und die Polarisierungskomponente somit aus dem Laserpuls herausfiltert, wodurch der Laserpuls in seiner Amplitude moduliert wird.

In einer zweiten Variante weist der Pulsformer genau zwei Modulatorelemente auf, wobei der Laserpuls die Modulatorelemente in unterschiedlichen Abschnitten zweimal durchläuft. Das vorteilhafterweise als Polarisator ausgebildete polarisierende Element kann dann so angeordnet sein, dass der Laserpuls nach dem ersten Durchlauf durch das erste Modulatorelement oder nach dem ersten Durchlauf durch das zweite Modulatorelement den Polarisator passiert und anschließend bei einem zweiten Durchlauf nochmals das erste und zweite Modulatorelement durchläuft.

In einer dritten Variante ist auch denkbar, dass der Pulsformer genau ein Modulatorelement aufweist, das von dem Laserpuls in unterschiedlichen Abschnitten mindestens dreimal durchlaufen wird, wobei das polarisierende Element nach dem ersten oder zweiten Durchlauf durch das Modulatorelement passiert wird.

Generell ist der Laserpuls nach Durchlauf des Polarisators in seiner Amplitude moduliert und wird nachfolgend durch das mindestens eine weitere Modulatorelement im Strahlengang anschließend in seiner Polarisation eingestellt. Dies geschieht durch geeignete Wahl der Richtungen der optischen Achsen der einzelnen Pixel der Flüssigkristallarrays, die vorteilhafterweise senkrecht zum Strahlengang unter geeigneten Winkeln ausgerichtet sind. Die optische Achse des nach dem polarisierenden Element im Strahlengang des Laserpulses angeordneten Abschnitts des Modulatorelementes ist hierbei abweichend von der Polarisationsrichtung des Laserpulses ausgerichtet, und zwar vorteilhafterweise um einen Winkel von 45°. Die Richtung der optische Achse des dem polarisierenden Elements nachfolgenden Abschnitts des Modulatorelementes unterscheidet sich somit von der Polarisationsrichtung des nach dem polarisierenden Element linear polarisierten Laserpulses.

Werden bei dem seriellen Aufbau lediglich drei Modulatorelemente oder Abschnitte von Modulatorelementen verwendet, so ist im allgemeinen die Phase, Amplitude und Polarisation nicht beliebig einstellbar, da beim Einstellen einer elliptischen Polarisation die Hauptachsen der Polarisationsellipse nicht frei ausgerichtet werden können. Eine Drehung dieser Hauptachse wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass hinter dem dem polarisierenden Element nachfolgenden Abschnitt eines Modulatorelementes noch mindestens ein weiteres (also zweites) Modulatorelement oder mindestens ein Abschnitt mindestens eines Modulatorelementes im Strahlengang des Laserpulses angeordnet wird, dessen optische Achse (oder Achsen) senkrecht zum Strahlengang unter geeignet von der Richtung der optischen Achse des vorangehenden Modulatorelementes oder des Abschnitts des Modulatorelementes abweichendem Winkel (abweichenden Winkeln) ausgerichtet ist (sind). Um eine beliebige Formung des Laserpulses in Phase, Amplitude und Polarisation zu erreichen, werden bevorzugt zwei Abschnitte mindestens eines Modulatorelementes nach dem polarisierenden Element durchstrahlt, wobei der erste hinter dem polarisierenden Element nachfolgende Abschnitt mit seiner optischen Achse unter 45° zu der durch den Polarisator vorgegebenen Polarisationsrichtung und der zweite danach durchstrahlte Abschnitt unter einem Winkel von 45° zur Richtung der optischen Achse des vorangehenden Abschnitts des Modulatorelementes ausgerichtet ist. Es sind somit mindestens vier Abschnitte eines oder mehrerer Modulatorelemente und ein polarisierendes Element hintereinander im Strahlengang des Laserpulses angeordnet und ermöglichen eine beliebige und unabhängige Modulation des Laserpulses in Amplitude, Phase und Polarisation.

In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist der Pulsformer parallel aufgebaut. Der Pulsformer weist dann einen Strahlteiler auf, der den Laserpuls in einen ersten und einen zweiten Teilpuls aufteilt, wobei der erste und zweite Teilpuls jeweils mindestens ein Modulatorelement und mindestens ein polarisierendes Element durchlaufen und unabhängig voneinander moduliert werden. Bei dem parallelen Aufbau wird der Laserpuls somit in Teilpulse geteilt, die getrennt voneinander moduliert und anschließend zu einem gesamten geformten Laserpuls zusammen geführt werden. Vorteil dieser Variante ist der einfache Aufbau und die physikalisch intuitive Beschreibbarkeit des in Teilpulse geteilten Laserpulses.

Auch für den parallelen Aufbau sind wiederum unterschiedliche Varianten denkbar. Der Pulsformer kann zum einen genau vier Modulatorelemente aufweisen, von denen ein erstes und zweites Modulatorelement hintereinander im Strahlengang des ersten Teilpulses und ein drittes und viertes Modulatorelement hintereinander im Strahlengang des zweiten Teilpulses angeordnet sind. In einer weiteren Variante weist der Pulsformer genau zwei Modulatorelemente auf, die so in den Strahlengängen des ersten und zweiten Teilpulses angeordnet sind, dass die Teilpulse jeweils in unterschiedlichen Abschnitten das erste und zweite Modulatorelement durchlaufen. Denkbar ist auch, dass der Pulsformer lediglich ein Modulatorelement aufweist, das von dem ersten und zweiten Teilpuls jeweils zweimal in unterschiedlichen Abschnitten durchlaufen wird. Wesentlich ist hierbei, dass die Teilpulse jeweils so in Phase und Amplitude geformt werden, dass sie zusammengefügt den gewünschten, in Amplitude, Phase und Polarisation geformten Laserpuls ergeben.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses parallelen Aufbaus ist es denkbar, einen der beiden Teilpulse im Durchlauf durch das Modulatorelement zusätzlich zu der gewünschten Pulsformung in der Polarisation um 90° zu drehen.

Gemäß einer anderen bevorzugten Variante des parallelen Aufbaus tritt im Gegensatz zu dem seriellen Aufbau keine polarisationsabhängige Strahlabschwächung am Gitter auf, und es wird eine höhere Intensität insbesondere bei hoher Modulationsauflösung nutzbar. Dabei ist bei dem parallelen Pulsformer im Strahlengang des ersten oder des zweiten Teilpulses ein die Polarisierung des ersten oder des zweiten Teilpulses drehendes Element vorgesehen, das beispielsweise durch eine &lgr;/2-Platte oder ein Periskop ausgebildet ist und eine Drehung der Polarisierung des ersten oder des zweiten Teilpulses um 90° bewirkt. Das polarisierende Element ist dabei bevorzugt nach dem letzten Gitter im Strahlengang des Laserpulses angeordnet, um eine polarisationsabhängige Strahlabschwächung am Gitter zu vermeiden.

Das polarisierende Element ist vorteilhaft als polarisierender Strahlteiler ausgebildet, der eine erste Polarisierungskomponente des ersten oder zweiten Teilpulses transmittiert und eine zweite, senkrecht zur ersten gerichtete Polarisierungskomponente des ersten oder zweiten Teilpulses reflektiert. Der erste und zweite Teilpuls fallen dann senkrecht zueinander auf den polarisierenden Strahlteiler so ein, dass der polarisierende Strahlteiler die erste Polarisierungskomponente des ersten oder zweiten Teilpuls transmittiert und die zweite Polarisierungskomponente des anderen Teilpuls reflektiert und durch räumliche Überlagerung der Polarisierungskomponenten beider Teilpulse zu einem geformten Laserpuls vereint.

Bei den unterschiedlichen Varianten des seriellen oder parallelen Pulsformers können vorteilhaft reflektierende Elemente, insbesondere in Form von Spiegeln, vorgesehen sein, die den Laserpuls so reflektieren, dass der Laserpuls bzw. dessen spektrale Anteile die Modulatorelemente in den dafür vorgesehenen Abschnitten durchlaufen. Die reflektierenden Elemente lenken und definieren somit den Strahlengang des Laserpulses.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung neben dem Pulsformer zusätzlich einen Detektor zur Charakterisierung des geformten Laserpulses auf. Bevorzugt ist der Detektor hierbei als so genannte Kreuzkorrelations-Anordnung mit mindestens einem polarisationsändernden Element, einem polarisierenden Element und einem Wechselwirkungselement, das beispielsweise als BBO-Kristall ausgebildet ist, im Strahlengang des geformten Laserpulses aufgebaut. Zur Erfassung des geformten Laserpulses wird mittels des polarisationsändernden und des polarisierenden Elementes hierbei eine Polarisierungskomponente aus dem geformten Laserpuls herausgefiltert und zusammen mit einem zusätzlichen, einen Referenzpuls darstellenden Laserpuls dem Wechselwirkungselement zugeführt. Die Polarisierungskomponente des Laserpulses und der Referenzpuls Wechselwirken dabei in dem Wechselwirkungselement und erzeugen so ein Wechselwirkungssignal, dass dazu verwendet werden kann, die Intensität der Polarisierungskomponente zu bestimmen. Dadurch, dass der Vorgang für unterschiedliche Polarisierungskomponenten wiederholt wird, ist der geformte Laserpuls dann hinsichtlich seiner (zeitlich veränderlichen) Form bestimmbar. Der Detektor weist dabei zusätzlich eine Auswerteeinheit auf, die die erzeugten Wechselwirkungssignale aufnimmt und auswertet und auf diese Weise die Form des Laserpulses ermittelt.

Darüber hinaus wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Erzeugung geformter Laserpulse mit den Merkmalen des Anspruchs 27 gelöst.

Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass mittels des mindestens einen Modulatorelementes und mindestens eines im Strahlengang des Laserpulses angeordneten polarisierenden Elementes der Laserpuls in Amplitude, Phase und Polarisation unabhängig voneinander geformt wird. Das Verfahren ist hierbei insbesondere unter Verwendung der vorangehend beschriebenen Vorrichtung durchführbar, die unter Verwendung mindestens eines Modulatorelementes und mindestens eines polarisierenden Elementes den Laserpuls in Amplitude, Phase und Polarisation formt, wobei – wie oben erläutert – sowohl ein paralleler als auch serieller Aufbau des Pulsformers verwendet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Formung von ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich einsetzbar und eröffnet vielseitige Einsatzmöglichkeiten. Beispielsweise lassen sich mittels des Verfahrens geformte Laserpulse zur Untersuchung multi-photonischer Wechselwirkungen anwenden, bei denen sich die einzelnen Übergangsdipolmomente von Molekülen in ihrer Richtung unterscheiden. Die beliebige Modulation der Polarisation, insbesondere die freie Einstellung der Richtungen der großen Hauptachse bei einer elliptischen Polarisation kann hierbei beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die bei einem physikalischen Prozess beteiligten Übergangsdipolmomente eines Moleküls, die mittels geformter Laserpulse gesteuert werden sollen, nicht parallel oder senkrecht zueinander ausgerichtet sind (z.B. bei Anregung in komplexeren Molekülen oder bei Umisomerisierungen) und somit für eine effektive Anregung ein Laserpuls mit unterschiedlich ausgerichteten Polarisationsrichtungen erforderlich ist. Mittels Modulation der Amplitude, Phase und Polarisation kann dann der Laserpuls optimal geformt und in optimaler Weise den anzuregenden Molekülen angepasst werden, um eine exakte Beeinflussung der Wellenpaketdynamik innerhalb der Moleküle zu ermöglichen, wobei auch größere, beispielsweise biologische Moleküle (Proteine, Nukleotide, usw.) mit ihren komplexen Anregungsspektren mit derartig erzeugten Laserpulsen untersucht werden können, um molekülspezifische Informationen über deren Wellenpaketdynamik, elektronische Struktur oder dergleichen zu erhalten. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können hierbei die Dynamik bis hin zu Strukturänderungen und zum gewollten Bindungsbruch solcher Moleküle gesteuert werden und auch Enatiomere der vielfach chiralen biologischen Moleküle durch optimierte, elliptisch polarisierte Laserpulse beeinflusst und umgewandelt werden. Darüber hinaus ist auch ein Einsatz solcher geformter Laserpulse für medizinische Anwendungen denkbar, wobei durch Verwendung besonders geformter Laserpulse z. B. im Bereich des Auges oder der Haut gezielte Veränderungen der molekularen Struktur herbeigeführt werden können.

Ein weiteres mögliches Einsatzgebiet solch geformter Laserpulse ergibt sich zur Informationsübertragung, wobei die Information durch Formung der Amplitude, Phase und Polarisation als Funktion der Zeit in dem Laserpuls kodiert und durch Übertragung des Laserpulses an einen Empfänger übermittelt wird. Die in einem Laserpuls übertragbare Informationsmenge ist hierbei unter anderem durch die Ausgestaltung der Modulatorelemente bestimmt. Denkbar wäre sogar, mit Pulsformungsgeräten einer hohen Auflösung die fundamentale Grenze der Beeinflussung jeder einzelnen Lasermode zu erreichen und damit den maximal möglichen Informationsgehalt des Laserpulses zur Informationsübertragung auszunutzen.

Bevorzugt werden zur Durchführung des Verfahrens Modulatorelemente verwendet, die in unabhängig voneinander ansteuerbare Pixel gegliedert sind, die entlang einer senkrecht zum Strahlengang des Laserpulses gerichteten Richtung versetzt angeordnet sind und zur Einstellung der spektralen Anteile des Laserpulses durch vorgebbare Ansteuerparameter gesteuert werden. Jedes Pixel des mindestens einen Modulatorelementes ist hierbei einem spektralen Anteil des Laserpulses zugeordnet und formt einen spektralen Anteil des Laserpulses bei zusätzlicher Verwendung mindestens eines polarisierenden Elementes in Amplitude, Phase und Polarisation. Mittels der Ansteuerungsparameter, die bei Verwendung von Flüssigkeitsarrays Spannungswerten zur Ansteuerung der Pixel darstellen, wird dann für jedes Pixel eine Phasendifferenz zwischen zwei Polarisierungskomponenten vorgegeben, die die Polarisation des dem Pixel zugeordneten spektralen Anteils des Laserpulses bestimmt. Durch die Formung der spektralen Anteile wird der Laserpuls somit im Frequenzbereich geformt, wodurch im Rahmen der verfügbaren Bandbreite beliebige zeitlich veränderliche Pulsformen einstellbar sind.

Zur Formung des Laserpulses können der Verlauf der Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses als Funktion der Zeit vorgegeben werden, hieraus die Ansteuerungsparameter zur Steuerung der Pixel des mindestens einen Modulatorelementes bestimmt werden und die Pixel des mindestens einen Modulatorelementes mit den Ansteuerungsparametern gesteuert werden. Insbesondere kann auf diese Weise der Verlauf der Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses als Funktion der Zeit parametrisch vorgegeben werden, indem Unterpulse spezifiziert werden, die dann zusammengesetzt den geformten Laserpuls ausbilden.

Mit dem Verfahren lassen sich somit vom Benutzer vorwählbare parametrisch definierte Pulsformen des Laserpulses hinsichtlich Amplitude, Phase und Polarisation realisieren, bei denen intuitiv verständliche und physikalisch relevante Parameter, insbesondere die Unterpulse definierende Parameter wie Unterpulspulsintensitäten, -abstände, -chirps, -phasendifferenzen und -polarisationen sowie spektrale Phasen-, Amplituden- und Polarisationsmuster usw. innerhalb der apparativen Begrenzungen vorgegeben und eingestellt werden können. Dies erlaubt die Herstellung von ultrakurzen Laserpulsen, die Untersuchungen von Chirpabhängigkeiten, phasengekoppelte Pump-Probe-Messungen, Messungen abhängig von den Parametern der erzeugten Unterpulse, Messungen abhängig von der Polarisationsart, -richtung und der elliptischen Exzentrizität, Messungen in Abhängigkeit von spektral angepassten Frequenzmustern zur selektiven Anregung von Schwingungsniveaus oder dergleichen. Wesentlicher Vorteil der parametrischen Vorgabe des einzustellenden Laserpulses ist hierbei die Verwendung intuitiv verständlicher, physikalisch relevanter Parameter sowie die Benutzerfreundlichkeit und die Einfachheit, die eine Vorgabe hochkomplexer Pulsformen mittels Spezifikation von einigen wenigen Parametern zur Definition der Unterpulse erlaubt.

Die Bestimmung der Ansteuerparameter aus den als Funktion der Zeit vorgegebenen Verläufen der Amplitude, Phase und Polarisation, die die Pulsform des Laserpulses beschreibt, erfolgt für den seriellen und den parallelen Aufbau des Pulsformers jeweils durch Verwendung von Modulationsfunktionen, die die Modulation des Laserpulses in Abhängigkeit von den Ansteuerparametern angeben und abhängig sind vom Aufbau des Pulsformers. Durch Umkehrung der Modulationsfunktionen sind aus der als Funktion der Zeit vorgegebenen Pulsform die erforderlichen Ansteuerparameter für die Pixel der verwendeten Modulatorelemente eindeutig bestimmbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der in Amplitude, Phase und Polarisation geformte Laserpuls zur Wechselwirkung mit einem Stoff – beispielsweise zur Anregung eines Stoffes – verwendet, ein durch die Wechselwirkung erzeugtes Anregungssignal erfasst und anhand des Anregungssignals der geformte Laserpuls optimiert. Auf diese Weise wird der geformte Laserpuls somit anhand eines Anregungssignals, also aufgrund einer konkreten Anwendung optimiert und somit der für die Anwendung optimal geformte Laserpuls eingestellt.

Bevorzugt erfolgt die Optimierung hierbei iterativ, indem Anfangswerte für die Ansteuerungsparameter vorgegeben werden, das durch den so geformten Laserpuls erzeugte Anregungssignal erfasst wird und die Ansteuerungsparameter iterativ zur Optimierung des Laserpulses anhand des Anregungssignals angepasst werden. Die iterative Optimierung kann dabei auch anhand des parametrisch vorgegebenen und im Rahmen der Optimierung anzupassenden Verlaufs der Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses als Funktion der Zeit vorgenommen werden. Die Verwendung der parametrischen Spezifikation des Laserpulses ermöglicht so eine erhebliche Einschränkung des Suchraums, da nicht die gesamte Schar der Ansteuerungsparameter selbst variiert und optimiert wird, sondern die zu optimierenden Größen auf wenige, den Laserpuls beschreibende Parameter reduziert wird, wodurch die Anzahl der erforderlichen Iterationen und somit die Optimierungszeit erheblich verringert werden kann. Beispielsweise ist auf diese Weise eine Optimierung des Laserpulses in Abhängigkeit vom zeitlichen Abstand, Ausrichtung oder Amplitude zwischen den den Laserpuls ausbildenden Unterpulsen oder der Polarisation der Unterpulse möglich.

Die iterative Optimierung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung hierbei insbesondere mittels eines evolutionären Algorithmus erfolgen.

Bei Verwendung des vorangehend beschriebenen Pulsformers können polarisationsabhängige und/oder frequenzabhängige Effekte auftreten, die beispielsweise durch die Eigenschaften der verwendeten optischen Gitter und/oder die Zylinderlinsen oder -spiegel des Pulsformers bedingt sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist daher vorgesehen, solche Polarisationsabhängigkeiten und Frequenzabhängigkeiten durch eine Anpassung der Ansteuerungsparameter des mindestens einen Modulatorelementes zu korrigieren.

Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Detektion geformter Laserpulse mit den Merkmalen des Anspruchs 42 gelöst. Bezüglich eines solchen Verfahrens liegt der Erfindung hierbei das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen ein geformter Laserpuls detektiert werden kann.

Erfindungsgemäß ist dabei bei einem Verfahren der oben genannten Art vorgesehen, dass Wechselwirkungssignale für mindestens zwei (bevorzugt mindestens drei) unterschiedliche Polarisierungskomponenten des geformten Laserpulses erzeugt und gemessen werden und aus den Wechselwirkungssignalen die durch die Amplitude, Phase und Polarisation als Funktion der Zeit bestimmte Pulsform des geformten Laserpulses ermittelt werden. Grundlegend ist hierbei, dass in zeitlich aufeinander folgenden unterschiedlichen Messungen die Intensität des Laserpulses in mindestens drei Polarisationsrichtungen gemessen und zur Bestimmung der Form des Laserpulses herangezogen wird. Ein solches zuverlässiges Detektionsverfahren ist vorteilhaft für die Herstellung geformter Laserpulse, da ohne ein solches Verfahren die eingestellte Form des geformten Laserpulses nicht überprüfbar und eine zuverlässige Einstellung somit nicht gewährleistet wäre.

Mittels der Erfassung der unterschiedlichen Wechselwirkungssignale ist es somit möglich, hinsichtlich Amplitude, Phase und Polarisation beliebig geformte Laserpulse zu erfassen und die Pulsform der Laserpulse zu bestimmen. Jedes Wechselwirkungssignal stellt dabei ein zeitlich veränderliches Signal dar, das dem Kreuzkorrelationssignal des Referenzpulses mit einer Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses entspricht. Die unterschiedlichen Wechselwirkungssignale entsprechen somit den Kreuzkorrelationssignalen des Referenzpulses mit unterschiedlichen Polarisierungskomponenten des geformten Laserpulses, die in aufeinander folgenden Messungen gemessen und anschließend ausgewertet werden, um die Amplitude, Phase und Polarisation des geformten Laserpulses als Funktion der Zeit zu ermitteln.

Die Aufgabe wird darüber hinaus auch durch ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 44 gelöst, das zur Steuerung der Modulatorelemente bei der Durchführung des vorangehend beschriebenen Verfahrens dient, einem Benutzer die Einstellung der gewünschten Pulsform erlaubt, die Umrechnung der Pulsform in die zu verwendenden Ansteuerparameter vornimmt und eine Optimierung der Pulsform hinsichtlich eines Messsignals ermöglicht. Das Computerprogramm zur Steuerung des optischen Systems stellt somit eine Schnittstelle dar, die eine einfache und bedienerfreundliche Handhabung der Vorrichtung zur Herstellung geformter Laserpulse gewährleistet.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines geformten Laserpulses;

2A-D schematische Darstellungen von vier unterschiedlichen Ausführungsformen eines seriellen Pulsformers;

3A-B graphische Darstellungen zweier Polarisierungsellipsen;

4A-B graphische Darstellungen der horizontalen und vertikalen Polarisierungskomponente in Abhängigkeit von der eingestellten Phasendifferenz für den nicht korrigierten und den korrigierten Fall;

5A-B schematische Darstellungen zweier unterschiedlicher Ausführungsformen eines parallelen Pulsformers;

6 eine schematische Darstellung eines Detektors zur Detektion von geformten Laserpulsen;

7A-B graphische Darstellungen der Polarisierungsellipsen zweier hergestellter und detektierter geformter Laserpulse;

8 eine graphische Darstellung des Optimierungsfaktors für einen in Phase und Amplitude optimierten Laserpuls und einen in Amplitude, Phase und Polarisation optimierten Laserpuls am Beispiel der Ionisierung von NaK;

9A-H graphische Darstellungen unterschiedlicher in Amplitude, Phase und Polarisation geformter Laserpulse;

10 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Verfahrens zur Bestimmung der Ansteuerungsparameter anhand von parametrischen Bedienereingaben unter Verwendung eines Pulsformers mit einem seriellen Aufbau gemäß 2A-D;

11 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Verfahrens zur Bestimmung der Ansteuerungsparameter anhand von parametrischen Bedienereingaben unter Verwendung eines Pulsformers mit einem parallelen Aufbau gemäß 5A-B und

12 eine graphische Darstellung einer interaktiven Benutzeroberfläche eines Computerprogramms zur Steuerung der Vorrichtung gemäß 1.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Herstellen geformter Laserpulse L', die ein Lasersystem 30 zur Erzeugung eines zu formenden Laserpulses L, einen Pulsformer 10 zur Formung des Laserpulses L zu einem geformten Laserpuls L' und einen Detektor 20 zur Detektion und Erfassung des geformten Laserpulses L' aufweist. Das Lasersystem 30 erzeugt hierbei den ungeformten Laserpuls L, dessen Amplitude, Phase und Polarisation durch das Lasersystem 30 bestimmt und nicht moduliert ist und dessen Pulslänge bevorzugt im Femtosekundenbereich liegt. Der ungeformte Laserpuls L wird hierbei durch das Lasersystem 30 emittiert und trifft auf einen ersten Strahlteiler 41, der den Laserpuls L teilweise transmittiert und teilweise reflektiert, wobei der reflektierte Teil als Referenzpuls LR über einen Spiegel 40 zu dem Detektor 20 gelangt und der transmittierte Teil des Laserpulses L über einen weiteren Spiegel 40 in den Pulsformer 10 einfällt. In dem Pulsformer 10 wird der Laserpuls L in Amplitude, Phase und Polarisation geformt und dann als geformter Laserpuls L' über einen weiteren Strahlteiler 42 ausgesendet und gelangt so zu einer Anwendung, in der der geformte Laserpuls L' beispielsweise zur Anregung von Molekülen eingesetzt wird. Durch den Strahlteiler 42, der den geformten Laserpuls L' teilweise reflektiert und teilweise transmittiert und beispielsweise auch als Klappspiegel ausgebildet sein kann, gelangt der durch den Pulsformer 10 geformte Laserpuls L' zu dem Detektor 20 und wird von diesem detektiert, wobei der Detektor 20 die durch Amplitude, Phase und Polarisation bestimmte Form des Laserpulses L' als Funktion der Zeit misst und aufnimmt.

Grundlegender Erfindungsgedanke ist, dass ein Laserpuls L in Amplitude, Phase und Polarisation zeitlich veränderlich geformt wird, wobei die Formung durch den Pulsformer 10 erfolgt, der so ausgestaltet ist, dass ein ungeformter Laserpuls L in den Pulsformer 10 einfällt, in dem Pulsformer 10 verarbeitet wird und beim Durchlauf durch den Pulsformer 10 in Amplitude, Phase und Polarisation moduliert wird. Der Pulsformer 10 ist dabei so ausgelegt, dass er insbesondere für ultrakurze Laserpulse L im Femtosekundenbereich einsetzbar ist und eine Formung solcher Laserpulse L ermöglicht.

Verschiedene Ausgestaltungen eines solchen Pulsformers sind denkbar. 2A-2D zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen eines seriellen Pulsformers, während in 5A und 5B zwei Pulsformeranordnungen mit einem parallelen Aufbau dargestellt sind.

Die dargestellten Anordnungen zur Pulsformung verwenden eine Kompressorgitteranordnung (auch bezeichnet als Nulldispersionskompressor), bei der ein Laserpuls L durch optische Gitter 101, 102 aufgefächert und wieder gebündelt wird und Zylinderlinsen 111, 112 im Strahlengang S mit Abstand 2F zueinander angeordnet sind. Der Laserpuls L hat somit nach seinem Durchlauf durch den Pulsformer 10 im Idealfall, wenn die Formung durch die Abschnitte der Modulatorelemente a, b, c, d, e, f bzw. ax, ay, bx, by und den Polarisator 120, 121 vernachlässigt wird, die gleiche Form und Dauer wie zu Beginn. Eine Beeinflussung des Laserpulses L findet somit – bis auf eine real auftretende Intensitätsabschwächung – nicht statt.

Die Formung des Laserpulses L beim Durchlauf durch den Pulsformer 10 erfolgt allein durch die Abschnitte der Modulatorelemente a, b, c, d, e, f und den Polarisator 120, 121. Die Abschnitte der Modulatorelemente a, b, c, d, e, f können beispielsweise als Flüssigkeitskristallarrays aufgebaut sein, die senkrecht zum Strahlengang S und parallel zu der durch den Strahlengang S aufgespannten Ausbreitungsebene jeweils in einzelne Pixel a1, a2, a3, ... bzw. b1, b2, b3, ... bzw. c1, c2, c3, ... (bzw. d1, d2, d3, ...) gegliedert sind. Den Pixeln a1, a2, a3, ... etc. ist dabei jeweils ein spektraler Anteil des Laserpulses L zugeordnet, so dass jedes Pixel a1, a2, a3, ... etc. einen spektralen Anteil des Laserpulses L formt und die unterschiedlichen Pixel a1, a2, a3, ... etc. eine getrennte Manipulierung der spektralen Anteile des Laserpulses L erlauben.

Bei den Flüssigkeitskristallarrays handelt es sich um doppelbrechende, in zellenförmige Pixel gegliederte Strukturen, die nematische Flüssigkristalle verwenden, die sich durch Einwirkung einer angelegten Spannung ausrichten und somit den Brechungsindex der Strukturen bzw. der einzelnen Pixel der Strukturen für eine Polarisierungskomponente des einfallenden Laserpulses L ändern. Auf diese Weise kann den Polarisierungskomponenten des Laserpulses L bzw. seiner spektralen Anteile eine Phasendifferenz aufgeprägt werden, mittels derer die Phase und Polarisation der spektralen Anteile des Laserpulses eingestellt wird.

In 2A-2D sind zunächst seriell ausgebildete Pulsformer 10 dargestellt, bei dem ein Laserpuls L in den Pulsformer 10 einfällt, sich entlang seines Strahlengangs S durch den Pulsformer bewegt und als geformter Laserpuls L' ausgesendet wird.

Der serielle Pulsformer 10 gemäß 2A weist hierbei ein erstes optisches Gitter 101, Zylinderlinsen 111, 112, Modulatorelemente a, b, c, ein polarisierendes Element in Form eines Polarisators 120 und ein zweites optisches Gitter 102 auf. Der einfallende, ungeformte Laserpuls L trifft auf das erste optische Gitter 101, dessen Gitterlinien senkrecht zur durch den Strahlengang S definierten Ausbreitungsebene des Laserpulses L verlaufen, und wird durch das erste optische Gitter 101 in seine spektralen Anteile zerlegt. Die spektralen Anteile werden hierbei abhängig von ihrer Wellenlänge unterschiedlich stark gebeugt, so dass das optische Gitter 101 eine Auffächerung der spektralen Anteile des Laserpulses L bewirkt, die dann ausgehend von dem optischen Gitter auf die erste Zylinderlinse 111 treffen und von der Zylinderlinse 111 so ausgelenkt werden, dass hinter der Zylinderlinse 111 sämtliche spektralen Anteile in Richtung des Strahlengangs S verlaufen, bewirkt dadurch, dass die Zylinderlinse 111 im Abstand der Brennweite F, bemessen auf die zentrale Frequenz &ohgr;0 des Laserpulses L, hinter dem optischen Gitter 101 angeordnet ist. Von der Zylinderlinse 111 werden die spektralen Anteile des Laserpulses L in Richtung des Strahlengangs S jeweils in die Fourierebene fokussiert und gelangen dort zu einem ersten Modulatorelement a, durchlaufen das erste Modulatorelement a, treffen auf den Polarisator 120, der die spektralen Anteile des Laserpulses L in eine Richtung polarisiert und dadurch in der Amplitude moduliert, und durchlaufen dann ein zweites und drittes Modultorelement b, c. Alternativ kann der Polarisator auch zwischen dem zweiten und dritten Modulatorelement angeordnet sein.

Nach den Modulatorelementen b, c gelangen die spektralen Anteile zu der zweiten Zylinderlinse 112, werden durch die zweite Zylinderlinse 112 auf das zweite optische Gitter 102 im Abstand F hinter der zweiten Zylinderlinse 112 gestrahlt und durch das zweite optische Gitter 102 wiederum zu einem strahlförmig gebündelten, nunmehr geformten Laserpuls L' kollimiert.

Da die Modulatorelemente a, b, c und der Polarisator 120 unmittelbar hintereinander angeordnet sind und jeweils einen der Brennweite F entsprechenden Abstand zu der ersten und zweiten Zylinderlinse 111, 112 aufweisen, befinden sich die Modulatorelemente a, b, c und der Polarisator 120 in der Fourierebene zwischen den Zylinderlinsen 111, 112, in der die spektralen Anteile des Laserpulses L aufgrund des endlichen Strahlradius des ursprünglichen Laserpulses L maximal aufgelöst sind.

Um eine Modulation der Phase, Amplitude und Polarisation des Laserpulses L durch die Modulatorelemente a, b, c zu erreichen, ist es denkbar und vorteilhaft, die optischen Achsen der Modulatorelemente a, b, c unterschiedlich, beispielsweise alternierend auszurichten. Denkbar ist beispielsweise eine Ausrichtung der optischen Achsen in der x-y-Ebene (siehe 2A) mit Winkeln von +45°, –45°, +45° relativ zur x-Achse. Für diese Ausrichtung der optischen Achsen läßt sich die Modulation des Laserpulses L für einen solchen seriellen Aufbau mit dem Polarisator zwischen dem ersten und zweiten Modulatorelement durch folgende Gleichungen mathematisch beschreiben:

mit der Phase &phgr; = 0.5(ϕa + ϕb + ϕc), der Transmission T = cos2[0.5ϕa], der Phasendifferenz &Dgr;&phgr; = ±&pgr;/2 und den Amplituden Ax = cos[0.5ϕa]cos[0.5(ϕb – ϕc)] und Ay = cos[0.5ϕa]sin[0.5(ϕb – ϕc)] der Komponenten des Laserpulses. Die durch das Hauptachsenverhältnis beschriebene Elliptizität B/A der eingestellten Polarisation des Laserpulses L', die durch die Differenz der von den Flüssigkristallarrays eingestellten Phasenverzögerungen &Dgr;ϕ = ϕb – ϕc des Laserpulses L bestimmt ist, entspricht dabei B/A = |tan[&Dgr;ϕ/2]|. Für den Fall, dass der Polarisator 120 nach dem zweiten Modulatorelement b angeordnet ist, erhält man
mit der Phase &phgr; = 0.5(ϕa + ϕb + ϕc), der Transmission T = cos2[0.5(ϕa – ϕb)], der Phasendifferenz &Dgr;&phgr; = ±&pgr;/2 und den Amplituden Ax = cos[0.5(ϕa – ϕb)]cos[0.5ϕc] und Ay = cos[0.5(ϕa – ϕb)]sin[0.5ϕc], wobei ϕa, ϕb und ϕc die Phasenverzögerungen der jeweiligen Pixel der einzelnen Modulatorelemente a, b, c bezeichnen. Die Elliptizität B/A der eingestellten Polarisation des Laserpulses L', die durch die Phasenverzögerung &Dgr;ϕ = ϕc des Flüssigkristallarrays c des Laserpulses L bestimmt ist, entspricht dabei B/A = |tan[&Dgr;ϕ/2]|.

Andere Ausgestaltungen des seriellen Pulsformers 10 sind in 2B bis 2D dargestellt. In 2C ist ein Pulsformer 10 mit vier Modulatorelementen a, b, c, d hintereinander im Strahlengang S des Laserpulses L dargestellt. In 2B und 2D sind zwei mit bereits kommerziell erhältlichen Doppelflüssigkristallarrays realisierbare Ausführungsformen eines Pulsformers 10 dargestellt, bei dem der Laserpuls L den Pulsformer in Hin- und Rückrichtung durchläuft und dabei wiederholt von den optischen Gittern 101, 102 gebeugt bzw. kollimiert wird.

Bei der in 2B dargestellten Ausführungsform trifft der einfallende Laserpuls L über einen Spiegel 140 zunächst auf das optische Gitter 101 und wird so gebeugt, dass die spektralen Anteile des Laserpulses L aufgefächert und auf eine Hälfte einer Zylinderlinse 111 fällt, die die spektralen Anteile parallel zueinander ausrichtet. Anschließend durchlaufen die spektralen Anteile einen ersten Abschnitt a, b eines ersten und zweiten Modulatorelementes, werden durch eine zweite Zylinderlinse 112 fokussiert und durch das zweite optische Gitter wieder kollimiert. Der so wiedervereinigte Laserpuls L durchläuft dann einen im Strahlengang S des Laserpulses L angeordneten Polarisator 120, wird durch Spiegel 140 gespiegelt und trifft unter anderem Einfallswinkel wiederum auf das optische Gitter 102, das den Laserpuls in seine spektralen Anteile zerlegt und diese auf eine zweite Hälfte der Zylinderlinse 112 beugt. Die Zylinderlinse 112 richtet die spektralen Anteile so aus, dass die spektralen Anteile einen zweiten Abschnitt c, d des zweiten bzw. ersten Modulatorelementes durchlaufen, anschließend durch die Zylinderlinse 111 und durch das optische Gitter 101 wiedervereinigt werden, um dann als geformter Laserpuls L' ausgesendet zu werden. Die optischen Achsen der zwei Flüssigkristallarrays der jeweiligen Doppelflüssigkeitsarrays stehen dabei jeweils senkrecht zueinander unter +45° und –45° zur x-Achse.

Im Unterschied zu dem Aufbau gemäß 2B, bei dem der Laserpuls L den Pulsformer 10 jeweils einmal in Hin- und einmal in Rückrichtung durchläuft, durchläuft der Laserpuls L bei dem Aufbau gemäß 2D in Hin, Rück- und nochmals in Hinrichtung und durchtritt dabei zusätzlich das polarisationsändernde Element 142a, das als &lgr;/2-Platten mit optischer Achse unter 22.5° zur x-Richtung ausgebildet ist. Vorteilhaft können noch die polarisationsändernden Elemente 142b (z. B. eine &lgr;/2-Platte mit optischer Achse unter 22.5°) und 142c (z. B. eine &lgr;/2-Platte mit optischer Achse unter 45°) gemäß 2D eingesetzt werden, um die Polarisationsabhängigkeit der Gitterbeugung auszugleichen.

Auch bei den Anordnungen gemäß 2B bzw. 2D befinden sich die Zylinderlinsen 111, 112 im Abstand 2F zueinander, wobei die Modulatorelemente a, b, c, d, e, f in der gemeinsamen Fourierebene der Zylinderlinsen 111, 112 angeordnet sind, so dass es sich auch bei den Aufbauten gemäß 2B und 2D um Kompressorgitteranordnungen handelt.

Nachfolgend wird ein Pulsformer 10 gemäß 2B mathematisch beschrieben, bei dem die Modulatorelemente a, b, c, d mit ihren optischen Achsen in +45°, –45°, –45°, +45° zur x-Achse ausgerichtet sind. Die Modulation des Laserpulses L für einen solchen seriellen Aufbau lässt sich durch folgende Gleichungen beschreiben:

In diesen Gleichungen stellen Ex,out, Ey,out die komplexen Komponenten des elektrischen Feldes des geformten Laserpulses L' bei einer Frequenz &ohgr;, also für einen spektralen Anteil des Laserpulses L', in x-Richtung (horizontale Komponente) bzw. in y-Richtung (vertikale Komponente) dar. Die Phase &phgr; des Laserpulses L', die Transmission T, die die Polarisation bestimmende Phasendifferenz &Dgr;&phgr; zwischen der vertikalen und horizontalen Komponente des geformten Laserpulses L' und die Amplituden Ax, Ay der Komponenten des Laserpulses ergeben sich hieraus zu &phgr; = 0.5(ϕa + ϕb + ϕc + ϕd), T = cos2[0.5(ϕa – ϕb)], &Dgr;&phgr; = ±&pgr;/2 und Ax = cos[0.5(ϕa – ϕb)]cos[0.5(ϕc – ϕd)] und Ay = cos[0.5(ϕa – ϕb)]sin[0.5(ϕc – ϕd)], wobei ϕa, ϕb, ϕc und ϕd die eingestellten Phasenverzögerungen der jeweils der Frequenz &ohgr; zugeordneten Pixel der Modulatorelemente a, b, c, d bzw. deren Abschnitte a, b, c, d bezeichnen. Das die Elliptizität beschreibende Hauptachsenverhältnis B/A der eingestellten Polarisierungsellipse des Laserpulses L', die durch die Differenz der von den Flüssigkristallarrays (mit den optischen Achsen unter +45° und –45° zur Horizontalen) eingestellten Phasenverzögerungen &Dgr;ϕ = ϕc – ϕd des Laserpulses L bestimmt ist, entspricht dabei B/A = |tan[&Dgr;ϕ/2]|.

Werden nur drei Modulatorelemente a, b, c bzw. vier in +45°, –45°, –45°, +45° ausgerichtete Modulatorelemente a, b, c, d verwendet, so können die Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses L zwar unabhängig voneinander moduliert werden. Die Ausrichtung der einstellbaren elliptischen Polarisation ist aber dadurch beschränkt, dass die Hauptachsen der Polarisierungsellipse in ihrer Richtung festgelegt sind und nicht gedreht werden können. In den in Gleichungen (1) bis (3) beschriebenen Fällen sind die Hauptachsen der einstellbaren Polarisierungsellipse immer in horizontaler oder vertikaler Richtung ausgerichtet, so dass die mathematische Beschreibung der zugehörigen Polarisierungsellipsen, die der so genannte Jonesvektor im elektrischen Feld durchläuft, lautet:

oder in anderer Form
mit den Hauptachsen A ≤ |Exmax| und B ≤ |Eymax| und den maximalen Amplituden A1 = A2 des elektrischen Feldes unter +45° und –45° zur horizontalen Richtung. Eine solche Polarisierungsellipse ist in 3A dargestellt.

Ein solcher serieller Pulsformer 10 erlaubt somit zwar eine Modulation von Amplitude, Phase und Polarisation. Die Polarisation ist jedoch noch nicht in voller Allgemeingültigkeit modulierbar, da die Hauptachsen der Polarisierungsellipse nicht in beliebiger Weise ausgerichtet werden können. Das ist darin begründet, dass die Amplituden A1 und A2 der Komponenten des Laserpulses nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können und somit gleich sind (siehe 3A).

Denkbar für diesen Fall der eingeschränkten Modulation sind auch Ausführungsformen, bei denen nur ein Modulatorelement mit drei Abschnitten verwendet wird und der Laserpuls L durch Spiegel durch die Abschnitte des Modulatorelementes geleitet wird. Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist, dass sich die Anzahl der notwendigen Beugungen an den optischen Gittern 101, 102 erhöhen würde und sich die Polarisationsabhängigkeit der optischen Gitter 101, 102 somit stärker auswirken würde. Denkbar ist auch, mehrere separate Kompressorgitteranordnungen mit jeweils ein oder zwei Modulatorelementen zu verwenden, die nacheinander von dem Laserpuls L durchlaufen werden. Auch ist es denkbar, die optischen Achsen der Abschnitte a, b, c, d des mindestens einen Modulatorelementes gleich auszurichten und polarisationsdrehende Elemente im Strahlengang S des Laserpulses L anzuordnen.

Wie beschrieben, reichen drei nacheinander durchlaufene Abschnitte mindestens eines Modulatorelementes mit dem Polarisator hinter dem ersten oder zweiten Abschnitt aus, um eine Formung in Phase, Amplitude und Polarisation durchzuführen. Eine beliebige Formung, insbesondere zur beliebigen Einstellung der Richtungen der großen Hauptachse der Polarisationsellipse, ist jedoch, wie vorangehend erklärt, so nicht möglich.

Um eine beliebige Formung aller Laserpulsparameter zu ermöglichen, sind mindestens vier unabhängige Manipulationen des Laserpulses L durch ein Modulatorelemente mit mehreren unabhängigen Abschnitten a, b, c, d, e, f oder mehrere unabhängige Modulatorelemente a, b, c, d, e, f notwendig, deren optische Achsen in bestimmter Weise zueinander ausgerichtet sind. Verschiedene Möglichkeiten für die Ausrichtungen der optischen Achsen der mindestens vier Modulatorelemente a, b, c, d, e, f bzw. deren Abschnitte a, b, c, d, e, f sind denkbar, z. B. unter Winkeln von 45°, –45°, 0°, 90° zur x-Richtung, wenn der Polarisator 120 zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt a, b angeordnet ist (siehe 2C), oder unter 45°, –45°, 45°, 0°, wenn der Polarisator 120 zwischen dem zweiten und dritten Abschnitt b, d des Modulatorelementes angeordnet ist. Wesentlich ist, dass nach dem Polarisator 120 mindestens zwei weitere Abschnitte c, d oder Modulatorelemente c, d durchstrahlt werden. Die optische Achse des ersten Abschnitts c ist hierbei jeweils unter einem Winkel von 45° zur Polarisationsrichtung des Polarisators 120 und die optische Achse des zweiten Abschnitts d unter einem Winkel von 45° zum vorhergehenden Abschnitt eingestellt.

Die mathematische Beschreibung für einen Pulsformer 10, bei dem der Polarisator 120 nach dem ersten Abschnitt a des mindestens einen Modulatorelementes eingebaut ist und die Ausrichtung der optischen Achsen zu 45°, –45°, 45°, 90° zur x-Richtung gewählt wurde, ist im Folgenden beschrieben. Man erhält in diesem Fall für die Polarisierungskomponenten des elektrischen Feldes

mit der Phase &phgr; = 0.5(ϕa + ϕb + ϕc + ϕd), der Transmission T = cos2[0.5ϕa], der Phasendifferenz &Dgr;&phgr; = ±&pgr;/2 + ϕd und den Amplituden Ax = cos[0.5ϕa]cos[0.5(ϕb – ϕc)] und Ay = cos[0.5ϕa]sin[0.5(ϕb – ϕc)]. Auf diese Weise ist eine beliebige Modulation des elektrischen Feldes in Phase, Amplitude und Polarisation unter beliebiger Ausrichtung der Hauptachsen der Polarisierungsellipse möglich.

Mit den derzeit kommerziell erhältlichen Doppelflüssigkristallarrays kann vorteilhaft ein in 2D dargestellter Aufbau zur beliebigen Modulation, bei dem man dreimal durch die Abschnitte der Doppelflüssigkristallarrays hindurchstrahlt, realisiert werden. Der Polarisator 120 ist dabei zwischen dem ersten und zweiten Durchgang eingebaut. Mindestens ein polarisationsdrehendes Element 142a, das direkt vor dem die Modulatorelemente a, b, c, d, e, f darstellenden Doppelflüssigkeitsarray angeordnet und im dritten Durchgang durchstrahlt wird, sorgt für eine Drehung der Polarisation des Laserpulses L um 45° im dritten Durchgang.

Denkbar ist auch, mehrere separate Kompressoranordnungen mit jeweils ein bis drei Modulatorelementen zu verwenden, die nacheinander von dem Laserpuls L durchlaufen werden. Weiterhin können die optischen Achsen der mindestens vier Abschnitte a, b, c, d, e, f des mindestens einen Modulatorelementes gleich ausgerichtet und polarisationsdrehende Elemente im Strahlengang S des Laserpulses L angeordnet werden.

Nachteilig bei Anordnungen, bei denen der Laserpuls L den Pulsformer 10 mehrfach in Hin- und Rückrichtung durchläuft, ist, dass sich die Anzahl der Beugungen an den optischen Gittern 101, 102 erhöht und sich die Polarisationsabhängigkeit der optischen Gitter 101, 102 somit stärker auswirkt.

Wie vorangehend beschrieben, ist grundlegend eine beliebige Formung der Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses L und somit eine beliebige Formung des Laserpulses L möglich. Die Formbarkeit des Laserpulses ist hierbei jedoch abhängig von der Ausbildung des Pulsformers 10 und insbesondere von der Ausrichtung der Modulatorelemente a, b, c, d, e, f. Wird z. B ein Pulsformer 10 mit Modulatorelementen a, b, c, d verwendet, dessen optische Achsen in der x-y-Ebene unter +45°, –45°, –45°, +45° ausgerichtet sind, oder werden nur drei Modulatorelemente a, b, c bzw. Abschnitte a, b, c von Modulatorelementen zur Formung der spektralen Anteile eingesetzt, so ist die Polarisation des Laserpulses L nicht beliebig einstellbar, da die Richtung der Hauptachsen der Polarisationsellipse bei einer elliptischen Polarisation nicht gedreht werden kann. Wird das vierte Modulatorelement d bzw. der vierte durchlaufene Abschnitt d jedoch in geeigneter Weise ausgerichtet, so ist grundlegend eine freie Formung aller Parameter des Laserpulses L möglich.

Wenn die Brechungsindices der optischen und der dazu senkrechten Achse der Modulatorelemente a, b, c, d für alle Spannungseinstellungen voneinander abweichen, ist es zur exakten Modulation insbesondere bei sehr kurzen Laserpulsen notwendig, zu jedem Modulatorelement a, b, c, d jeweils ein weiteres, mit seiner optischen Achse senkrecht dazu ausgerichtetes Modulatorelement hinzuzufügen. Diese zusätzlichen Modulatorelemente gleichen dann die sonst auftretenden zeitlichen Verschiebungen der Pulskomponenten aus.

Der Laserpuls L ist vor Einfall in den Pulsformer 10 in seiner Amplitude, Phase und Polarisierungsrichtung durch das Lasersystem bestimmt. In der Regel ist der Laserpuls L hierbei zunächst linear polarisiert und bevorzugt so ausgerichtet ist, dass er in x-Richtung (siehe 2A) polarisiert ist und so auf das erste optische Gitter 101, dessen Gitterlinien ebenfalls in y-Richtung gerichtet sind, einfällt. Eine polarisationsabhängige Beugung des Laserpulses L am ersten Gitter 101 bei der ersten Beugung ist auf diese Weise ausgeschlossen. Bei Durchlauf durch den Pulsformer 10 wird die Polarisation des Laserpulses L jedoch moduliert, so dass der Laserpuls L bzw. dessen spektralen Anteile eine zirkulare, elliptische oder lineare Polarisation annehmen können und am zweiten optischen Gitter 102 wiederum gebeugt und kollimiert werden. Die Beugung dieser so polarisierten spektralen Anteile am zweiten optischen Gitter 102 kann dabei polarisationsabhängig sein, so dass eine Korrektur erforderlich ist.

Die polarisationsabhängige Beugung kann beispielsweise durch Verwendung von Glasplatten, die unter dem Brewsterwinkel in den Strahlengang S gestellt werden, ausgeglichen werden, wie beispielsweise in T. Brixner und G. Gerber, Opt. Lett. 26 (2001) 557 beschrieben ist. Dies führt jedoch zu einer Intensitätsabschwächung des gesamten Laserpulses. Um diese Abschwächung zu vermeiden, kann die polarisationsabhängige Beugung des Laserpulses L auch vorteilhaft in die Erzeugung der Pulsformen, d.h. in die Ansteuerungsparameter zur Steuerung der einzelnen Pixel a1, a2, a3, ... etc., mit eingerechnet werden.

Die Intensität der an den optischen Gittern gebeugten Laserpulskomponenten (Lx, Ly) ist polarisationsabhängig und bewirkt eine Abweichung der eingestellten Elliptizität der Polarisation von der gewünschten Elliptizität. Dieser Effekt vergrößert sich normalerweise, wenn man Gitter mit kürzerem Gitterabstand und damit größerer Spektralaufspaltung und höherer Auflösung verwendet, was in der Praxis die Modulationsauflösung begrenzt. Der Effekt der polarisationsabhängigen Beugung ist in 4A beispielhaft dargestellt, in der die gemessenen Intensitäten der horizontalen Polarisierungskomponente Lh, des geformten Laserpulses L', der vertikalen Polarisierungskomponente Lv sowie des gesamten geformten Laserpulses L' graphisch über der zwischen den Polarisierungskomponenten Lh, Lv eingestellten Phasendifferenz (unter Verwendung eines Pulsformers 10 gemäß 2C) dargestellt sind. Wie man erkennt, sind die Maximalwerte der Intensitäten der Polarisierungskomponenten Lh , Lv nicht identisch, sondern weichen um ca. 15% voneinander ab, was durch die Polarisationsabhängigkeit der Beugung an den optischen Gittern 101, 102 bedingt ist. Aus den gemessenen Intensitäten (Ih = (cos[&Dgr;ϕ/2])2 und Iv = C(sin[&Dgr;ϕ/2])2) der beiden Polarisierungskomponenten Lh, Lv (wobei die Konstante C das Verhältnis der Maximalwerte der Intensitäten der Polarisierungskomponenten Lh, Lv bezeichnet und im in 4A dargestellten Fall 0.85 beträgt) lässt sich die Elliptizität folgendermaßen analytisch ermitteln.

Dies entspricht der nach dem Pulsformer 10 gemäß 2C auftretenden Elliptizität des geformten Laserpulses L', in die somit die durch das letzte Gitter 102 veränderte polarisationsabhängige Beugung in die Bestimmung der Elliptizität mit eingerechnet ist. Es wird demnach das Verhältnis der beiden gebeugten Polarisationsrichtungen C = Ivmax/Ihmax ermittelt und so die Elliptizität in Abhängigkeit von der Phasendifferenz berechnet. Bei der Einstellung der Phasendifferenz, aus der sich die Ansteuerungsparameter für die Pixel a1, a2, a3, ... etc. der Modulatorelemente a, b, c, d ergeben, werden somit die Beugungseffekte berücksichtigt und die Phasendifferenz so eingestellt, dass die gewünschte Elliptizität erhalten wird. Auf diese Weise kann jede Elliptizität ohne Abschwächung eingestellt werden, was vorteilhaft gegenüber dem Einsatz von unter dem Brewsterwinkel in den Strahlengang gestellten Glasplatten ist, da der Laserpuls in letzterem Fall in seiner Intensität abgeschwächt werden muss.

Die auftretende Polarisationsabhängigkeit der Intensität des aus dem Pulsformer austretenden Laserpulses kann vorteilhaft durch eine im folgenden beschriebene Einstellung der Ansteuerungsparameter so korrigiert werden, dass keine Polarisationsabhängigkeit mehr auftritt. Dazu wird durch eine geeignete Anpassung der Amplitudenmodulation die Intensität der stärkeren Komponente auf den Wert der geringeren abgeschwächt, indem die eingestellte Transmission mit der Funktion

multipliziert wird. Diese Funktion wird als Korrektur bei der Bestimmung der Ansteuerungsparameter für die Modulatorelemente a, b, c, d bzw. deren Pixel a1, a2, a3, ..., etc. berücksichtigt und sorgt für eine Angleichung der Intensität beider Polarisierungskomponenten. In 4B sind die gemessenen Intensitäten der horizontalen und vertikalen Polarisierungskomponente Lh, Lv sowie des gesamten Laserpulses L bei Verwendung der Korrektur dargestellt.

In 5A und 5B sind zwei Ausführungsformen eines alternativen, parallel aufgebauten Pulsformers 10 dargestellt, bei dem, im Gegensatz zu den Pulsformern gemäß 2A-2D, ein Laserpuls L in zwei Teilpulse Lx, Ly geteilt wird und die Teilpulse dann in paralleler Weise den Pulsformer 10 durchlaufen, um in Amplitude, Phase und Polarisation geformt zu werden.

Der Laserpuls L fällt hierbei in den Pulsformer 10 ein und wird durch einen Strahlteiler 141 in zwei gleich starke Teilpulse Lx, Ly geteilt, die daraufhin unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf ein erstes optisches Gitter 101 gelenkt und durch das optische Gitter 101 gebeugt werden. Das optische Gitter 101 zerlegt die Teilpulse Lx, Ly jeweils in die spektralen Anteile, die durch eine erste Zylinderlinse 111 parallel ausgerichtet werden, jeweils ein erstes und zweites Modulatorelement ax, bx bzw. ay, by durchlaufen, durch eine zweite Zylinderlinse 112 fokussiert und durch ein zweites optisches Gitter zu zwei geformten Teilpulsen Lx', Ly' kollimiert werden. Der eine geformte Teilpuls Ly' wird daraufhin durch einen Phasenretardierer in Form eines &lgr;/2-Plättchens 142 gelenkt und durch diesen in seiner Polarisierungsrichtung um 90° gedreht. Beide Teilpulse Lx', Ly' werden schließlich einem polarisierenden Element in Form eines polarisierenden Strahlteilers 121 zugeführt, der eine erste Polarisierungskomponente transmittiert und eine zweite, senkrecht zur ersten gerichtete Polarisierungskomponente reflektiert. In dem in 5A und 5B dargestellten Fall treffen die beiden Teilpulse unter einem räumlichen Winkel von 90° zueinander auf den polarisierenden Strahlteiler 121, wobei der erste Teilpuls Ly' nahezu vollständig reflektiert und der zweite Teilpuls Lx' nahezu vollständig transmittiert wird. Der polarisierende Strahlteiler 121 vereinigt somit die beiden Teilpulse Lx', Ly' wiederum zu einem gemeinsamen, geformten Laserpuls L', der dann aus dem Pulsformer ausgesendet wird.

Bei dem parallelen Pulsformer 10 gemäß 5A werden vier separate Modulatorelemente ax, ay, bx, by in zwei verschiedenen, jeweils Kompressoranordnungen verwendet, während bei dem Pulsformer 10 gemäß 5B zwei Modulatorelemente mit jeweils zwei unterschiedlichen Abschnitten ax, ay bzw. bx, by in einer Kompressoranordnung eingesetzt werden. Auf letztere Weise kann der Aufbau vereinfacht und kostengünstig gestaltet werden. Wesentlich ist hierbei, das beide Teilpulse Lx, Ly jeweils zwei Modulatorelemente ax, bx, bzw. ay, by durchlaufen und auf diese Weise geformt werden.

Bei dem parallelen Pulsformer 10 gemäß den Ausführungsformen von 5A und 5B werden somit zwei Teilpulse Lx, Ly getrennt voneinander moduliert und unabgeschwächt wieder zusammengeführt. Das elektrische Feld E(x,y,z) = Exex + Eyey (mit den Einheitsvektoren ex und ey) des Laserpulses L ist hierbei durch Überlagerung der elektrischen Felder der beiden Teilpulse Lx, Ly bestimmt, wobei für jeden der Frequenz &ohgr; zugeordneten Pixel der Modulatorelemente jeweils die beiden Gleichungen Ex(x,y,z) = Axcos(&ohgr;t – kz + ϕx)(9) und Ey(x,y,z) = Ay cos(&ohgr;t – kz + ϕy)(10) gelten, wobei &ohgr; die Frequenz, k den Wellenvektor und ϕx, ϕy die jeweiligen Phasen der Teilpulse Lx, Ly angibt.

Dadurch, dass der Laserpuls L in zwei Teilpulse Lx, Ly aufgespaltet wird, die die Modulatorelemente ax, bx, ay, by parallel durchlaufen, werden die Teilpulse Lx, Ly unabhängig voneinander in Amplitude und Phase moduliert, wobei der geformte Laserpuls L' dann durch Vereinigung der beiden Teilpulse Lx, Ly durch den polarisierenden Strahlteiler 121 gebildet wird. Daraus ergibt sich dann insgesamt ein in Amplitude, Phase und Polarisation geformter Laserpuls. Die räumlichen Intensitätsprofile der beiden Strahlengänge S der beiden Teilpulse Lx, Ly sollten hierbei möglichst gleich sein, was bei unsymmetrischem Profil eine gerade Differenz der Anzahl der Reflexionen an Spiegeln 140, 141, 143 voraussetzt. Die Polarisationsabhängigkeit der optischen Gitter 101, 102 spielt, im Gegensatz zu dem seriellen Aufbau, bei dem parallelen Pulsformer 10 keine Rolle, da die Polarisierungsrichtung des ersten Teilpulses Lx' erst nach dem Passieren des zweiten optischen Gitters 102 mittels des &lgr;/2-Plättchens 142 gedreht wird. Dies ermöglicht die Verwendung von optischen Gittern 101, 102 mit kürzerem Gitterabstand, die somit eine größerer Spektralaufspaltung und dadurch eine höhere spektrale Auflösung in der Fourierebene zwischen den Zylinderlinsen 111, 112 ermöglichen.

Dadurch, dass die Teilpulse Lx, Ly bei der parallelen Anordnung separat moduliert werden, erfordert der parallele Pulsformer 10 eine hohe Genauigkeit in der zeitlichen und räumlichen Überlagerung der Teilpulse Lx, Ly nach dem jeweiligen Durchgang durch die Modulatorelemente ax, bx, ay, by und somit eine exakte Justierung der Anordnung. Schwankungen in der Länge der Strahlengänge S können beispielsweise mit einem gegen Erschütterungen stabilen Aufbau, durch und durch ein umgebendes Gehäuse zur Vermeidung von Luftzirkulation reduziert werden, damit die interferometrische Stabilität und somit eine hohe Pulsgenauigkeit erhalten wird. Die spektralen Intensitäten der Teilpulse in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Strahlengängen S können hierbei durch Anpassung der Transmission der Modulatorelemente ax, bx, ay, by angeglichen werden. Zudem können apparativ bedingte Phasenunterschiede zwischen den Strahlengängen (Wegunterschiede, Dispersion durch Linsen usw.) durch eine auf die Modulatorelemente geschriebene Phasenmaske ausgeglichen werden, so dass die Teilpulse Lx, Ly in ihrer zeitlichen Form nicht durch den apparativen Aufbau (mit Ausnahme der Modulatorelemente ax, bx, ay, by) beeinflusst werden. Dies kann vorteilhaft auch durch den Einsatz eines Optimierungsalgorithmus zur Suche einer optimalen Phaseneinstellung realisiert werden, wobei das destruktive Interferenzsignal zwischen den Teilpulsen Lx, Ly minimiert wird und somit eine präzise Herstellung der gewünschten Pulsformen ermöglicht wird.

Durch die Integration zu einem parallelen Pulsformer, so wie in 5B dargestellt, ist ein kompakterer Aufbau erreichbar, bei dem die beiden optischen Strahlengänge S in räumlicher Nähe zueinander verlaufen und Wegunterschiede durch Erschütterungen und Luftzirkulation somit gering gehalten werden. Auch ist es vorteilhaft, die interferometrische Phasenkonstanz zwischen den Teilpulsen Lx', Ly' durch aktive Stabilisierung sicherzustellen, um zeitliche Änderungen zwischen den Strahlengängen S auszugleichen. Dieses könnte beispielsweise durch Erfassung, Auswertung und Optimierung eines Interferenzsignals erfolgen, das durch Interferenz der für die Anwendung nicht genutzten Polarisierungskomponenten am polarisierenden Strahlteiler 121 erzeugt wird, nämlich durch die durch den polarisierenden Strahlteiler 121 transmittierte Komponente des ersten Teilpulses Lx' und die durch den polarisierenden Strahlteiler 121 reflektierte Komponente des zweiten Teilpulses Ly', die in 5A und 5B vom polarisierenden Strahlteiler 121 rechtwinklig zum Strahlengang des geformten Laserpulses L' (in der Zeichenebene) senkrecht nach oben abgestrahlt werden. Einer der beiden Strahlengänge S im Pulsformer 10 ist zu diesem Zweck dann (z.B. mit auf einem Piezoelement angebrachten, entlang einer Verschieberichtung V verstellbaren Spiegeln 143) so regelbar, dass ein konstantes Interferenzmuster eingestellt werden kann. Vorteil einer Optimierung dieses Interferenzsignals ist, dass der geformte Laserpuls L' nicht durch zusätzliche optische Elemente im Strahlengang gestört und abgeschwächt wird und mittels einer aktiven Stabilisierung hinsichtlich Interferenzphänomenen beispielsweise im Spektrum die Form des geformten Laserpulses L' konstant gehalten werden kann.

Die elektrischen Felder der durch den parallelen Pulsformer 10 modulierten Teilpulse Lx', Ly' sind gegeben durch:

mit der Transmission des geformten Laserpulses L' T = 0.5(cos2[0.5(ϕax – ϕbx)] + cos2[0.5(ϕay – ϕby)]), der Phasendifferenz &Dgr;&phgr; = 0.5((ϕax + ϕbx) – (ϕay + ϕby)) und den Amplituden der Teilpulse Lx', Ly', Ax = cos[0.5(ϕax – ϕbx ) ] und Ay = cos[0.5(ϕay – ϕby)], wobei ϕax, ϕbx und ϕay, ϕby die Phasenverzögerungen der einzelnen, der Frequenz &ohgr; zugeordneten Pixel der Modulatorelemente bzw. -abschnitte ax, bx und ay, by bezeichnen. Die Phasendifferenz &Dgr;&phgr; und die Amplituden Ax und Ay bestimmen die elliptische Form und somit die Polarisation des Laserpulses L':

Die Polarisierungsellipse ist dann in der Richtung ihrer Hauptachsen und ihrer Elliptizität, so wie in 3B dargestellt, beliebig einstellbar.

Die Vorrichtung 1 zur Herstellung geformter Laserpulse L' gemäß 1 weist auch einen Detektor 20 zur Detektion der geformten Laserpulse L' auf, der in einer möglichen Ausgestaltung in 6 dargestellt ist.

Prinzipiell können zur Detektion der unter Umständen auf komplexe Weise geformten Laserpulse L' unterschiedliche Techniken eingesetzt werden. Wesentlich ist hierbei jedoch, dass zur Erfassung des in beliebiger Weise in seiner Polarisation geformten Laserpulses L' der Laserpuls L' in mindestens drei Polarisationsrichtungen ausgemessen wird. Dieses ist notwendig, da die Polarisierungsellipse des geformten Laserpulses L' prinzipiell beliebig ausgerichtet sein kann. Steht vorab fest, dass die Hauptachsen nicht gedreht und somit festgelegt sind, so ist auch die Messung lediglich zweier Polarisationsrichtungen ausreichend.

Der Detektor 20 gemäß 6, der als ein so genannter Kreuzkorrelations-Aufbau ausgebildet ist, weist ein polarisationsdrehendes Element in Form einer &lgr;/2-Platte 250 und ein polarisierendes Element in Form eines Polarisators 220 auf, die im Strahlengang S des geformten Laserpulses L' angeordnet sind.

Zur Messung einer Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses L' in einer bestimmten Polarisationsrichtung wird der Polarisator 220 vertikal ausgerichtet und die optische Achse der &lgr;/2-Platte 250 so eingestellt, dass die auszumessende Polarisationsrichtung des Laserpulses L' durch die Wirkung der &lgr;/2-Platte 250 in die vertikale Richtung gedreht wird. Zur Ausmessung der vertikalen Polarisationsrichtung wird die &lgr;/2-Platte somit vertikal ausgerichtet, so dass keine Drehung der Polarisation des geformten Laserpulses L' erfolgt, während für die Aufnahme der horizontalen Polarisationsrichtung die optische Achse der &lgr;/2-Platte unter einem Winkel von –45° zur vertikalen Richtung (zur Drehung der Polarisation um 90° von horizontal nach vertikal) eingestellt wird. Auf diese Weise wird jeweils eine die Intensität des geformten Laserpulses L' in eine Polarisationsrichtung anzeigende lineare Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses L' herausgefiltert, wird durch einen Spiegel 240 und eine Linse 260 auf einen Wechselwirkungselement 270, beispielsweise ein BBO-Kristall, fokussiert und wechselwirkt in dem Wechselwirkungselement 270 mit einem Referenzpuls IR, der, wie in 1 dargestellt, aus dem ungeformten Laserpuls L abgezweigt sein kann und über Spiegel 240, eine Verzögerungsstrecke zur Nachregelung des Strahlengangs in Form der entlang der Verschieberichtung V verstellbaren Spiegel 243 und eine Linse 260 dem Wechselwirkungselement 270 zugeführt wird.

Durch die Wechselwirkung des geformten Laserpulses L' und des Referenzpulses LR in dem Wechselwirkungselement 270 entsteht ein Wechselwirkungssignal K, das dem Kreuzkorrelationssignal einer Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses L' und des Referenzpulses LR entspricht. Das so erzeugte Wechselwirkungssignal K wird über eine weitere Linse 260 und einen weiteren Spiegel 240 zu einem eine Auswerteeinheit zur Erfassung und Auswertung des Wechselwirkungssignals K darstellenden Spektrometer 280 geleitet, das das Wechselwirkungssignal K erfasst und aus dem Wechselwirkungssignal K die Intensität der Polarisierungskomponente und somit der Polarisationsrichtung des geformten Laserpulses L' ableitet. Die Messung wird dabei für mindestens zwei (vorteilhaft mindestens drei) unterschiedliche Polarisierungskomponenten wiederholt und aus den gemessenen Intensitäten dann die Amplitude, Phase und Polarisation, insbesondere auch die Polarisierungsellipse des geformten Laserpulses L' als Funktion der Zeit ermittelt.

Der Detektor gemäß 6 ist so ausgelegt, dass in zeitlich aufeinander folgenden Messungen jeweils die Intensität einer linearen Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses L' in einer Polarisationsrichtung als Funktion der Zeit gemessen wird, die &lgr;/2-Platte 250 zwischen den Messungen um einen bestimmten Winkel gedreht wird, eine zweite Polarisationsrichtung gemessen und der Vorgang so oft wiederholt wird, bis die gewünschten Polarisationsrichtungen des geformten Laserpulses L' erfasst sind. Grundlegend ist die Messung der einzelnen Polarisationsrichtungen hierbei automatisierbar, wobei automatisch eine vorbestimmte Anzahl von Polarisationsrichtungen des Laserpulses L' als Funktion der Zeit gemessen und daraus die zeitliche Form des Laserpulses L' ermittelt wird. Da die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen hierbei in separaten Messungen erfasst werden, muss bei der Auswertung der Messungen zur Bestimmung der Form des geformten Laserpulses L' die zeitliche Übereinstimmung der Messungen genau ermittelt werden.

Bei der Auswertung der gemessenen Polarisationsrichtungen muss prinzipiell die durch die &lgr;/2-Platte 250 entstandene Phasenverschiebung von &pgr; herausgerechnet werden, um die Polarisierungsellipse des Laserpulses L' als Funktion der Zeit zu ermitteln. Die beschriebene Verwendung von &lgr;/2-Platten liefert für hinreichend lange Pulse verlässliche Ergebnisse, während bei extrem kurzen Pulsen mit merklichen Änderungen der Amplitude innerhalb einer Wellenlänge Abweichungen auftreten können, die aber durch Verwendung von z.B. Polarisationsrotatoren vermieden werden können.

Bei einem Pulsformer 10, bei dem die Hauptachsen der Polarisierungsellipse nicht verdreht sind, kann die elliptische Form des Laserpulses L' aus den gemessenen horizontalen und vertikalen Polarisierungskomponenten des geformten Laserpulses L' ermittelt werden, da die Hauptachsen der Ellipse entlang der horizontalen und vertikalen Richtungen ausgerichtet sind (siehe 3A). Dazu sind die Intensitäten in einem Retrievalverfahren zu ermitteln. Das Hauptachsenverhältnis B/A bestimmt sich nun aus der Wurzel des Verhältnisses der Intensitäten der vertikalen und horizontalen Polarisierungskomponenten, die die elliptische Form des Laserpulses L' eindeutig festlegen.

Bei beliebiger Ausrichtung der Polarisierungsellipse ist die Form des Laserpulses L' zwar auch durch die Aufnahme von Intensität und Phase in horizontaler und vertikaler Polarisationsrichtung bestimmt. Phasen und insbesondere Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Polarisierungskomponenten sind jedoch nur sehr ungenau zu ermitteln. Daher sollte der Laserpuls L' noch in mindestens einer weiteren Polarisationsrichtung (beispielsweise unter einem Winkel von 45°) aufgenommen werden, um aus den Intensitäten Ih, Iv und I45 der drei Polarisierungskomponenten dann die Form der Polarisierungsellipse des Laserpulses L' als Funktion der Zeit über die Hauptachsen A, B und den Winkel &ggr; der Hauptachse zur Horizontalen zu bestimmen, die sich ergeben zu:

Die Polarisierungsellipse und die Projektion auf eine beliebige Achse (unter einem Winkel &thgr;) werden dabei durch die folgenden Gleichungen beschrieben:

Die Ellipsenparameter A, B und &ggr; können hierbei auch analog durch einen numerischen Fit der experimentell erhaltenen Intensitäten der Polarisierungskomponenten an die Gleichung (15) gefunden werden. Damit ist für jeden Zeitpunkt innerhalb des Laserpulses L' die Polarisierungsellipse des elektrischen Feldes ermittelbar und durch eine Auftragung der Polarisierungsellipse über der Zeit die Form des Laserpulses L' graphisch darstellbar (siehe 7A und 7B).

Um den Umlaufssinn der Polarisierungsellipse zu erhalten, kann entweder die (schwer zu ermittelnde) Phasendifferenz verwendet werden, es kann eine &lgr;/4-Platte in den Laserstrahl eingesetzt werden, oder es können die unter den verschiedenen Richtungen aufgenommenen Spektren mit simulierten Spektren verglichen werden, wodurch der Umlaufsinn festgelegt ist.

Zwei mittels des Detektors zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste Polarisierungsellipsen M eines Laserpulses L' sind graphisch in 7A und 7B dargestellt. Die vorgegebenen und am Pulsformer eingestellten Polarisierungsellipsen T sind dabei gestrichelt eingezeichnet, wobei zusätzlich die jeweils zugeordneten Parameter Elliptizität B/A und der Hauptachsenwinkel &ggr; angegeben sind. Indem die Polarisierungsellipsen zu jedem Zeitpunkt des Laserpulses L' ermittelt werden, lässt sich dann der Laserpuls L' in dreidimensionaler Weise als Funktion der Zeit t darstellen, so wie beispielsweise in 9B gezeigt.

Durch den Pulsformer 10 gemäß 2A-2D oder 5A und 5B kann der Laserpuls L in Amplitude, Phase und Polarisation zeitabhängig geformt werden. Die zeitabhängige Formung erfolgt, indem die spektralen Anteile des Laserpulses L separat manipuliert werden, die Pixel a1, a2, a3, ... etc. der Modulatorelemente a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by zu diesem Zweck den spektralen Anteilen zugeordnet werden und die spektralen Anteile somit in ihrer Polarisation eingestellt werden. Die Pixel a1, a2, a3, ... etc. werden hierbei über Ansteuerungsparameter angesteuert, die bei Verwendung von Flüssigkeitskristallarrays Spannungswerten entsprechen, die an die Pixel a1, a2, a3, ... etc. angelegt und eine Änderung der Brechungsindices für eine Polarisierungskomponente des einfallenden Laserpulses L bewirken. Die Ansteuerungsparameter werden dabei einmal eingestellt und dann während der Pulsdauer des Laserpulses L nicht verändert.

Unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Ansteuerungsparameter sind hierbei denkbar. Zum einen ist die Ermittlung der Ansteuerungsparameter im Rahmen eines iterativen Optimierungsverfahrens möglich. Beispielsweise kann initial eine Verteilung von Ansteuerungsparametern zur Ansteuerung der Pixel a1, a2, a3, ... etc der Modulatorelemente a, b, c, d, e, f bzw. ax, ay, bx, by vorgegeben werden, der so geformte Laserpuls L' in einer Anwendung, beispielsweise zur Anregung eines Moleküls, verwendet werden, hieraus ein Anregungssignal (Fitness) erfasst werden und durch Anpassung der Ansteuerungsparameter das Anregungssignal iterativ optimiert werden. Auf diese Weise werden iterativ die für eine jeweilige Anwendung optimalen Ansteuerungsparameter ermittelt.

Beispielsweise kann auf diese Weise der geformte Laserpuls L' mittels einer zufälligen Anfangseinstellung der Ansteuerungsparameter zur Ionisierung von Molekülen verwendet werden, wobei ein Anregungssignal in Form eines Ionensignals (Fitness) erfasst und iterativ optimiert wird. Die Anpassung der Ansteuerungsparameter kann hierbei durch zufällige Überkreuzung und Mutation im Rahmen eines evolutionären Algorithmus erfolgen, bei dem die geformten Laserpulse L' auf die erhaltenen Ionensignale (Fitness) des gewünschten Clusters/Moleküls hin getestet werden und die entstehenden Ionen in einer Ionenoptik durch elektrostatische Felder abgezogen, mit einem Quadrupolmassenspektrometer selektiert und in einem Elektronenvervielfältiger detektiert werden. Nur eine bestimmte Anzahl von Laserpulsen L' mit der besten Fitness wird dann weiterverwendet um wiederum durch Überkreuzung der Elemente neue Ansteuerungsparameter zu erzeugen und weiter zu optimieren. Dieser iterative Ablauf wird so lange fortgeführt, bis sich die Fitness nicht mehr ändert und somit ein optimal geformter Laserpuls L' gefunden ist.

In 8 ist ein Optimierungsfaktor in Abhängigkeit der Iterationen während einer derartigen Optimierung dargestellt. Der Optimierungsfaktor gibt hierbei das Verhältnis der Intensitäten des gemessenen Anregungssignals und des mit einem ungeformten Laserpuls L erhaltenen Anregungssignals an. Dargestellt ist ein Optimierungsvorgang am Beispiel einer freien Optimierung von Amplitude, Phase und Polarisation eines Laserpulses L' zur Ionisierung von NaK, wobei für den dargestellten Fall ein serieller Pulsformer 10 gemäß 2B verwendet worden ist und die Ionisierung von NaK im Molekularstrahl durch Anregung mit einem in Amplitude, Phase und Polarisation geformten Laserpuls L' sowie zum Vergleich mit einem nur in Phase und Amplitude modulierten Laserpulses optimiert wurde. Die abgebildeten Lernkurven zeigen einen beträchtlichen Anstieg und eine Konvergenz innerhalb von etwa 70 Iterationen. Dabei ist ersichtlich, dass die Optimierung mittels des in Amplitude, Phase und Polarisation geformten Laserpulses L' zu einem gegenüber dem lediglich in Phase und Amplitude geformten Laserpuls besseren Optimierungsfaktor und somit einem effektiveren Laserpuls führt.

Um die Ansteuerungsparameter zur Erzeugung eines geformten Laserpulses L' vorzugeben, ist auch denkbar, die Pulsform des zu erzeugenden Laserpuls parametrisch als Funktion der Zeit vorzugeben und aus den parametrischen Vorgaben die zur Erzeugung des Laserpulses L' erforderlichen Ansteuerungsparameter zu ermitteln. Auf diese Weise ist es möglich, den Laserpuls L' auf für einen Anwender einfache und übersichtliche Weise zu definieren und anzugeben oder, im Rahmen eines Optimierungsverfahrens, den Suchraum erheblich einzuschränken.

Die von einem Anwender vorgebbaren Parameter können hierbei insbesondere intuitiv verständliche Parameter sein. Beispielsweise kann ein Anwender Unterpulse vorgeben, aus denen ein Laserpuls zusammengesetzt werden soll und die durch Unterpulsintensitäten, -abstände, -chirps, -phasendifferenzen, -elliptizitäten, -helizitäten und -hauptachsenwinkeln definiert sind. Die Unterpulse stellen in diesem Zusammenhang einzelne elementare Pulse dar, die kombiniert werden können und so den gesamten Laserpuls ergeben. Darüber hinaus kann ein Anwender spektrale Phasen-, Amplituden- und Polarisationsmuster vorgeben, aus denen dann mittels der Ansteuerungsparameter ein entsprechender Laserpuls L' erzeugt wird.

Beispiele für so erzeugte Laserpulse L' sind in 9A bis 9H angegeben, wobei in 9A, 9C, 9E und 9G die Verläufe der Intensität, der Elliptizität und des Hauptachsenwinkels als Funktion der Zeit für vier unterschiedliche Laserpulse L' angegeben ist, während in 9B, 9D, 9F und 9H die jeweils zugehörigen erzeugten Laserpulse L' in einer dreidimensionalen Darstellung über der transversalen x-y-Ebene und der Zeit t dargestellt sind. Es zeigen hierbei 9A, 9B elliptische Unterpulse, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind, 9C, 9D einen elliptischen und einen zirkularen Unterpuls, 9E, 9F elliptische Unterpulse, die unter einem Winkel von 30° zueinander stehen und 9G, 9H elliptische Unterpulse, die unter einem Winkel von 45° zueinander stehen.

Unter Verwendung des Pulsformers 10 sind somit in Amplitude, Phase und Polarisation beliebig geformte Laserpulse L' einstellbar. Zur Ermittelung der Ansteuerungsparameter für den seriellen Pulsformer gemäß 2A-2D wird vorteilhafterweise das im Folgenden beschriebene und in 10 übersichtsmäßig dargestellte Verfahren verwendet.

Zunächst wählt ein Benutzer Pulsparameter wie z.B. Unterpulsabstände, -intensitäten, -chirps, -phasendifferenzen sowie Umlaufrichtung (Helizität), Elliptizität oder dergleichen für die den zu erzeugenden Laserpuls L' ausbildenden Unterpulse aus (Schritt 512). Die Unterpulse können hierbei beispielsweise eine gausssche Form in der Zeit aufweisen.

Anschließend wird für jeden Unterpuls die jeweilige Maximalintensität der beiden Komponenten des elektrischen Feldes aus der Gesamtintensität des Unterpulses und der Elliptizität errechnet (Schritt 512). Für jeden Unterpuls wird hierbei über die Beziehung E2max_sub = E2xmax_sub + E2ymax_sub(15) mit

die jeweilige Maximalamplitude in beiden Komponenten zu
errechnet (oder alternativ mit der Differenz der Phasenverzögerungen &Dgr;ϕ = ±2 arctan(BA) zu
beide Formulierungen sind mathematisch äquivalent). Die einzelnen Unterpulse werden dann gesondert für beide Komponenten kombiniert und so die elektrischen Felder beider Komponenten des gesamten Laserpulses L' ermittelt. Auf diese Weise werden Ex,out(t) und Ey,out(t) (E komplex) des gesamten Laserpulses L' bestimmt und mittels Fourier-Transformation daraus direkt die spektralen elektrischen Feldkomponenten Ex,out(&ohgr;) und Ey,out(&ohgr;) abgeleitet, die die spektralen Anteile des Laserpulses L' angeben.

Die elektrischen Feldkomponenten werden dann in die zum Ansteuern der einzelnen Modulatorelemente a, b, c, d notwendigen Ansteuerungsparameter in Form von Spannungswerten umgerechnet (Schritte 513 bis 517). Die die Ansteuerungsparameter bestimmenden Phasenverzögerungen ϕc(&ohgr;) und ϕd(&ohgr;) werden dabei durch Einsetzen von Ex,out(&ohgr;), Ey,out(&ohgr;) und Ein(&ohgr;) in die folgenden Gleichungen erhalten:

Diese Ausdrücke gewinnt man durch Umstellen der Modulationsfunktion (siehe beispielsweise Gleichung (1)) des elektrischen Feldes für den seriellen Pulsformer gemäß 2A-2C

nach ϕc(&ohgr;) und ϕd(&ohgr;), wobei nur der Realteil verwendet wird, da imaginäre Werte nicht in Ansteuerungsparameter umsetzbar sind. Bei der Verwendung eines Pulsformers 10, bei dem die Hauptachsen der Polarisierungsellipse des einstellbaren Laserpulses L' festgelegt und nicht drehbar sind, führt die Bestimmung der Ansteuerungsparameter zu Imaginärteilen in den Phasenverzögerungen. Durch Einschränkung auf den Realteil werden somit angenäherte Pulsformen erzeugt, die den gewünschten zeitlichen Verlauf nur näherungsweise nachbilden und zusätzlich (kleine) Replika-Pulse aufweisen.

Alternativ können Ex,out(t) und Ey,out(t) auch ausschließlich durch Phasenmodulation in ihrer funktionalen Form rechnerisch simuliert werden (was Replika-Pulse in den einzelnen Komponenten zur Folge hat) und mittels Fourier-Transformation in die spektralen Anteile Ex,out(&ohgr;) und Ey,out(&ohgr;) umgerechnet werden. Durch Einsetzen der so gewonnenen theoretischen Komponenten Ex,out(&ohgr;) und Ey,out(&ohgr;) in die Gleichungen für die Phasenverzögerungen (Gleichung (20)) werden dann ausschließlich reelle Werte für die Phasenverzögerungen ϕc(&ohgr;) und ϕd(&ohgr;) erhalten, da die vorgewählten Pulsformen durch eine Intensitätsnormierung und die ausschließliche Phasenmodulation entsprechend vorab eingeschränkt worden sind.

Bei der Verwendung eines Pulsformers 10, bei dem die Hauptachsen der Polarisierungsellipse des Laserpulses L in Folge der Ausrichtung der optischen Achsen der Modulatorelemente a, b, c, d oder der Verwendung von nur drei Modulatorelementen a, b, c festgelegt und nicht drehbar sind, treten, wie oben erwähnt, Replika-Pulse auf, die bedingt sind durch die Einschränkung, dass die Transmission T(&ohgr;) für beide Komponenten des Laserpulses L immer gleich ist. Wegen dieser Einschränkung kann keine gleichzeitige exakte Formung der Unterpulse in beiden Polarisationskomponenten des Laserpulses L erfolgen. Eine exakte, replikafreie Formung des Laserpulses L erfordert eine unabhängige Einstellung der Transmissionen in beiden Komponenten des Laserpulses L.

Das Verwenden eines vierten, unter 45° zum dritten Modulatorelement c ausgerichteten Modulatorelementes d, wie vorangehend beschrieben, behebt diese Einschränkung und ermöglicht eine beliebige parametrische Modulation des Laserpulses L ohne Replika-Pulse. Das hierfür erforderliche Verfahren zur Einstellung der Pulsform läuft analog zu dem vorangehend beschriebenen Verfahren ab, wobei lediglich die Funktion für die Phasenverzögerungen (siehe Gleichung (20)) abhängig von Ex,out(&ohgr;), Ey,out(&ohgr;) und Ein(&ohgr;) angepasst werden müssen. Damit ist die gewünschte Pulsform, bei der auch die Hauptachsen der Polarisierungsellipse frei einstellbar sind, exakt nachbildbar, ohne dass sich Replika-Pulse ergeben.

Auf die vorangehend beschriebene Weise ist auch eine parametrische Formung eines Laserpulses L' im Spektralbereich möglich, bei der gewünschte Frequenzmuster (z.B. schmale gaussförmige Spitzen mit variablen Intensitäten und Abständen im Frequenzbereich) eingestellt werden, wobei die Formung im Frequenzbereich hierbei jedoch auf die Bandbreite des zu formenden Laserpulses L beschränkt ist. Beispielsweise im Frequenzbereich eingestellte Spitzen lassen sich vorteilhaft dafür verwenden, (vibronische) Übergänge in Molekülen im Rahmen einer Optimierung zu suchen, oder bestimmte bereits bekannte Übergänge in einer Optimierung oder einer gewollten Pulsform zu erlauben (oder zu verbieten). Dies eröffnet neuartige Möglichkeiten einer gezielten Beeinflussung von molekularen Prozessen.

Ein analoges, übersichtsmäßig in 11 dargestelltes Verfahren ergibt sich bei Verwendung eines parallelen Pulsformers 10 gemäß 5A und 5B.

Hier wählt der Benutzer zunächst die Pulsparameter zur parametrischen Definition des zu erzeugenden Laserpulses L' aus (Schritt 502). Die benutzerdefinierten Parameter &ggr; (Ausrichtung der Hauptachsen) und r = B/A (Elliptizität) werden hierbei für jeden Unterpuls in die spektrale Phasendifferenz &Dgr;&phgr; und den Betrag des Verhältnisses der Amplituden Ax und Ay der Polarisierungskomponenten des Laserpulses L umgerechnet, wobei das Vorzeichen der spektralen Phasendifferenz durch die Wahl der Polarisationsrichtung bestimmt ist und die Umlaufrichtung (Helizität) definiert:

oder alternativ:
(beide Beschreibungen sind mathematisch äquivalent).

Für jeden Unterpuls wird daraufhin das Amplitudenverhältnis

sowie die Phasendifferenz &Dgr;&phgr; zwischen den Phasen beider Komponenten des elektrischen Feldes eingestellt (Schritt 503). Durch Kombination der Unterpulse werden dann Ex,out(t) und Ey,out(t) des gesamten Laserpulses L' ermittelt und daraus mittels Fourier-Transformation Ex,out(&ohgr;) und Ey,out(&ohgr;) gebildet.

Aus den Komponenten des elektrischen Feldes werden dann Filterfunktionen für die Teilpulse Lx', Ly' errechnet (Schritt 504 bis 508) und daraus die Ansteuerungsparameter abgeleitet, die dann zur Ansteuerung der Modulatorelemente ax, bx, bzw. ay, by verwendet werden (siehe 5A und 5B). Die Filterfunktionen Hx, Hy (komplex), mit den Amplitudenfaktoren Rx, Ry und den Phasenfaktoren &psgr;x, &psgr;y, sind dabei gegeben durch

und werden in die die Ansteuerungsparameter definierenden Phasenverzögerungen mittels ϕax = &pgr;/2 + &psgr;x(&ohgr;) + arccos(Rx(&ohgr;)), ϕbx = &pgr;/2 + &psgr;x(&ohgr;) – arccos(Rx(&ohgr;)), ϕay = &pgr;/2 + &psgr;y(&ohgr;) + arccos (Ry(&ohgr;)) und ϕby = &pgr;/2 + &psgr;y(&ohgr;) – arccos(Ry(&ohgr;)) umgerechnet. Die mittels der so bestimmten Ansteuerungsparameter modulierten Teilpulse Lx', Ly' ergeben dann nach der Zusammenführung den gewünschten geformten Laserpuls L'.

Auch ein beliebiger, vom Benutzer gewünschter zeitlicher oder spektraler Verlauf der Pulsform (z.B. hinsichtlich der Polarisationsrichtung, der Elliptizität oder des Phasenverlaufs) innerhalb des Pulses oder Unterpulses kann mit den vorgestellten Methoden für den seriellen und den parallelen Aufbau realisiert werden. Der Benutzer kann hierzu die Pulsform (zum Beispiel durch Eingabe eines funktionalen Zusammenhangs oder Einstellung einer beliebigen polynominalen Form) nach seinen Wünschen gestalten.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren zur Ermittelung der Ansteuerungsparameter für den seriellen und den parallelen Pulsformer hierbei mittels eines Computerprogramms implementiert, dass die Ansteuerungsparameter aus den Benutzereingaben errechnet und die Modulatorelemente zur Erzeugung des gewünschten Laserpulses L' ansteuert. Das Computerprogramm kann dabei so ausgestaltet sein, dass einem Benutzer die Eingabe von Unterpulsparametern zur Definition der den Laserpuls ausbildenden Unterpulse ermöglicht wird, indem beispielsweise die Position, die Energie, die Phase, das Verhältnis der Hauptachsen B/A, die Umlaufrichtung (Helizität), der Winkel der großen Hauptachse relativ zur Horizontalen, ein linearer, quadratischer oder kubischer Chirp des jeweiligen Unterpulses eingegeben werden kann, daraus die Pulsform des zu erzeugenden Laserpulses L' errechnet und dargestellt wird (insbesondere in dreidimensionaler Form, analog 9A-9H), die Ansteuerungsparameter bestimmt werden und der Pulsformer 10 auf diese Weise gesteuert wird.

12 zeigt eine interaktive Benutzeroberfläche eines solchen Computerprogramms, mittels dessen die Form des zu formenden Laserpulses L eingegeben werden kann. Die Benutzoberfläche stellt eine für den Benutzer leicht zu handhabende Eingabemaske dar, wobei der Benutzer die Parameter zur Spezifikation des Laserpulses eingibt, sich die zeitliche Variation eines eingestellten Parameters für den Laserpuls in Form von Parameterscans ausgeben und den simulierten geformten Laserpulse in verschiedenen Darstellungen anzeigen lassen kann. In der in 12 dargestellten Eingabemaske

  • – sind oben links Unterpulsparameter einzugeben, nämlich die Position, Energie, konstante Phase, Verhältnis der Hauptachsen B/A, Umlaufrichtung (Helizität), Winkel der großen Hauptachse relativ zur Horizontalen, linearer, quadratischer und kubischer Chirp für die jeweiligen Unterpulse,
  • – besteht oben rechts die Möglichkeit, sich die Variation eines eingestellten Parameters des Laserpulses, beispielsweise den Winkel der großen Hauptachse zur Horizontalen (Major Axis Angle) in Form eines Meßsignals anzeigen zu lassen und
  • – werden unten die aus den Parametern errechneten dreidimensionalen Pulsformen dargestellt, wobei auch andere Darstellungen der Pulsform wie z. B. die zeitliche oder spektrale Intensität, Amplitude, Phase oder dergleichen ausgewählt werden können.

Die Eingabemaske erlaubt somit einen instruktiven Vergleich mit der nach Ansteuerung des Pulsformungsgerätes und Durchführung der Detektion tatsächlich gemessenen Pulsform des Laserpulses, die in der Benutzeroberfläche ebenfalls dargestellt werden kann.

Denkbar und vorteilhaft ist auch, eine iterative Optimierung des erzeugten Laserpulses L' mittels der parametrischen Definition des Laserpulses L' vorzunehmen. Auf diese Weise kann der Suchraum und somit die Anzahl der erforderlichen Iterationen erheblich reduziert werden. Beispielsweise kann so eine Optimierung erfolgen, indem iterativ der Abstand zwischen Unterpulsen und/oder die Ausrichtung der Polarisierungsellipsen der Unterpulse angepasst und optimiert wird. Als Ergebnis der Optimierung können dann physikalisch unmittelbar interpretierbare Parameter angeben werden, die auch Rückschlüsse auf die jeweilige Anwendung zulassen. Beispielsweise ist es denkbar, dass durch mittels der Optimierung ermittelte Polarisationsrichtungen der unterschiedlichen Unterpulse des Laserpulses L' auf die Ausrichtung der durch den Laserpuls L' angeregten Moleküle zurück geschlossen werden kann.

Die vorgestellte Erfindung ist nicht auf die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere sind Anordnungen denkbar, die hinsichtlich der verwendeten Bandbreite und Auflösung optimiert sind, indem Pulsformer mit einer größeren Anzahl von Modulatorelementen und/oder Pixeln pro Modulatorelement verwendet werden. Auf diese Weise können längere Pulsformen hergestellt werden, was eine genauere Anregung und Beeinflussung eines molekularen Systems über eine größere Zeitdauer ermöglicht.

1
Vorrichtung
10
Pulsformer
101, 102
Gitter
111-112
Zylinderlinse
120
Polarisator
121
Polarisierender Strahlteiler
140
Spiegel
141
Strahlteiler
142, 142a, 142b, 142c
Polarisationsdrehendes Element
143
Verstellbarer Spiegel
20
Detektor
220
Polarisator
240
Spiegel
243
Verstellbarer Spiegel
250
Phasenretardierer
260
Linse
270
Wechselwirkungselement
280
Auswerteinheit
30
Lasersystem
40
Spiegel
41, 42
Strahlteiler
a, b, c, d, e, f
Modulatorelement bzw. Abschnitt eines Modulatorelementes
ax, ay, bx, by
Modulatorelement bzw. Abschnitt eines Modulatorelementes
a1, a2, a3
Pixel
b1, b2, b3
Pixel
c1, c2, c3
Pixel
d1, d2, d3
Pixel
A1, A2, Ax, Ay
Amplitude
F
Brennweite
E
Elektrisches Feld
K
Wechselwirkungssignal
L
Ungeformter Laserpuls
L'
Geformter Laserpuls
LR
Referenzpuls
Lx, Ly
Ungeformter Teilpuls
Lx', Ly'
Geformter Teilpuls
Lh
Horizontale Polarisierungskomponente
Lv
Vertikale Polarisierungskomponente
M
Gemessene Polarisierungsellipse
S
Strahlengang
t
Zeit
T
Theoretische Polarisierungsellipse
V
Verschieberichtung
x, y
Achsen


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Herstellung geformter Laserpulse, mit einem Pulsformer, der von einem zu formenden Laserpuls durchlaufen wird und mindestens ein im Strahlengang des Laserpulses angeordnetes Modulatorelement aufweist, wobei

– der Pulsformer ausgebildet ist, den zu formenden Laserpuls in seine spektralen Anteile zu zerlegen, die spektralen Anteile dem mindestens einen Modulatorelement zuzuführen und anschließend zu einem geformten Laserpuls wiederzuvereinigen und

– das mindestens eine Modulatorelement ausgebildet ist, die spektralen Anteile des Laserpulses in ihrer Phase und Polarisation einzustellen,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Pulsformer (10) zusätzlich mindestens ein im Strahlengang (S) des Laserpulses (L, Lx, Ly) angeordnetes polarisierendes Element (120, 121) aufweist und ausgebildet und vorgesehen ist, mittels des mindestens einen Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) und des mindestens einen polarisierenden Elements (120, 121) den Laserpulse (L) in Amplitude, Phase und Polarisation unabhängig voneinander zu formen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Modulatorelement (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) als ein Array ausgebildet ist, das unabhängig voneinander ansteuerbare Pixel (a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, d1, d2, d3) aufweist, die in einer Richtung senkrecht zum Strahlengang des Laserpulses (L) versetzt angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel (a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, d1, d2, d3) des mindestens einen Modulatorelements (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) jeweils einem spektralen Anteil des Laserpulses (L) zur Einstellung der Polarisation des jeweiligen spektralen Anteils zugeordnet sind. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Modulatorelement (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) als ein Flüssigkristallarray ausgebildet ist. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Modulatorelement (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) als ein akusto-optischer Modulator oder als eine doppelbrechende Phasenmaske ausgebildet ist. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsformer (10) mindestens eine Kompressorgitteranordnung enthält, die mindestens zwei optische Gitter (101, 102) zur Zerlegung des Laserpulses (L, Lx, Ly) in seine spektralen Anteile und zur Wiedervereinigung der spektralen Anteile zu dem geformten Laserpuls (L') und zusätzlich mindestens zwei Zylinderlinsen (111-112) oder Zylinderspiegel zur Fokussierung des Laserpulses (L, Lx, Ly) aufweist. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Modulatorelement durch ein oder mehrere Modulatorelemente (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) gebildet ist, die im Bereich einer einzigen oder im Bereich unterschiedlicher Fourierebenen einer oder mehrerer Kompressorgitteranordnungen des Pulsformers (10) angeordnet sind. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Pulsformer (10) in seriellem Aufbau das mindestens eine Modulatorelement durch ein oder mehrere Modulatorelemente (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) ausgebildet ist, die der Laserpuls (L) jeweils einmal oder in unterschiedlichen Abschnitten der Modulatorelemente (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) mehrfach durchläuft. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Pulsformer (10) in seriellem Aufbau der Laserpuls (L) mindestens drei unterschiedliche Abschnitte eines oder mehrerer Modulatorelemente (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) durchläuft. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsformer (10) in seriellem Aufbau ausgebildet ist, durch genau vier hintereinander im Strahlengang (S) des Laserpulses (L) angeordnete Abschnitte des mindestens einen Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) den Laserpuls (L) in Amplitude, Phase und Polarisation zu formen. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisierende Element (120) so im Strahlengang (S) des Laserpulses (L) angeordnet ist, dass der Laserpuls (L) anschließend noch mindestens einen Abschnitt eines Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) durchläuft. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse des nach dem polarisierenden Element (120) im Strahlengang des Laserpulses (L) angeordneten Abschnitts des Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) sich in ihrer Ausrichtung von der Polarisationsrichtung des Laserpulses (L) unterscheidet. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse des nach dem polarisierenden Element (120) im Strahlengang des Laserpulses (L) angeordneten Abschnitts des Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) senkrecht zum Strahlengang (S) unter einem Winkel von 45° zur Polarisationsrichtung des Laserpulses (L) am Ort des Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) ausgerichtet ist. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend mindestens ein weiterer Abschnitt eines Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) im Strahlengang (S) des Laserpulses (L) angeordnet ist, dessen optische Achse sich von der Richtung der optischen Achse des vorangehenden Abschnitts eines Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) unterscheidet. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend mindestens ein weiterer Abschnitt eines Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) im Strahlengang (S) des Laserpulses (L) angeordnet ist, dessen optische Achse senkrecht zum Strahlengang (S) unter einem Winkel von 45° zur Richtung der optischen Achse des vorangehenden Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) ausgerichtet ist. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsformer (10) in parallelem Aufbau einen Strahlteiler (141), der den Laserpuls (L, Lx, Ly) in einen ersten und einen zweiten Teilpuls (Lx, Ly) teilt, und ein kombinierendes Element, das die Teilpulse wieder zu dem geformten Laserpuls L' zusammenfügt, aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Pulsformer (10) in parallelem Aufbau jeweils mindestens ein Modulatorelement (ax, ay, bx, by) und mindestens ein polarisierendes Element (121) in den Strahlengängen (S) des ersten und zweiten Teilpulses (Lx, Ly) zur Modulierung der Teilpulse (Lx, Ly) angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Modulatorelement durch ein oder mehrere Modulatorelemente (ax, ay, bx, by) ausgebildet ist, die der erste und zweite Teilpuls (Lx, Ly) jeweils einmal oder in unterschiedlichen Abschnitten der Modulatorelemente (ax, ay, bx, by) mehrfach durchlaufen. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang (S) des ersten oder des zweiten Teilpulses (Lx, Ly) ein die Polarisation des ersten oder des zweiten Teilpulses (Lx, Ly) drehendes Element (142) vorgesehen ist. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisierende Element (121) ausgebildet und vorgesehen ist, den ersten und zweiten Teilpuls (Lx, Ly) zu dem geformten Laserpuls (L') zusammenzufügen. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisierende Element als polarisierender Strahlteiler (121) ausgebildet ist, der eine erste Polarisierungskomponente des ersten oder zweiten Teilpulses (Lx, Ly) transmittiert und eine zweite, senkrecht zur ersten gerichtete Polarisierungskomponente des ersten oder zweiten Teilpulses (Lx, Ly) reflektiert. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Teilpuls (Lx, Ly) senkrecht zueinander auf den polarisierenden Strahlteiler (121) so einfallen, dass der polarisierende Strahlteiler (121) die erste Polarisierungskomponente des ersten oder zweiten Teilpulses (Lx, Ly) transmittiert und die zweite Polarisierungskomponente des anderen Teilpulses (Lx, Ly) reflektiert und durch räumliche Überlagerung der Polarisierungskomponenten die Teilpulse (Lx, Ly) zu dem geformten Laserpuls (L') kombiniert. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsformer (10) ein oder mehrere im Strahlengang (S) des Laserpulses (L) oder der Teilpulse (Lx, Ly) des Laserpulses (L) angeordnete reflektierende Elemente (140) zur Einstellung des Strahlengangs (S) aufweist. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Detektor (20) zur Messung der Amplitude, Phase und Polarisation des geformten Laserpulses (L'). Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (20) ein polarisationsdrehendes Element (250), ein polarisierendes Element (220) und ein Wechselwirkungselement (270) aufweist, die im Strahlengang (S) des geformten Laserpulses (L') angeordnet sind, wobei der Detektor (20) ausgebildet und vorgesehen ist, zur Messung der Intensität einer Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses (L') eine Polarisierungskomponente aus dem geformten Laserpuls (L') mittels des polarisationsdrehenden Elementes (250) und des polarisierenden Elementes (220) herauszufiltern und zusammen mit einem zusätzlichen, einen Referenzpuls (LR) darstellenden Laserpuls dem Wechselwirkungselement (270) zuzuführen, um durch Wechselwirkung der Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses (L') mit dem Referenzpuls (LR) in dem Wechselwirkungselement (270) ein Wechselwirkungssignal (K) zu erzeugen. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (20) eine Auswerteeinheit (280) zur Auswertung des erzeugten Wechselwirkungssignals (K) aufweist. Verfahren zur Herstellung geformter Laserpulse, bei dem ein zu formender Laserpuls in seine spektralen Anteile zerlegt wird und die spektralen Anteile mindestens einem im Strahlengang des Laserpulses angeordneten Modulatorelement zugeführt und anschließend zu einem geformten Laserpuls vereinigt werden, wobei das mindestens eine Modulatorelement die spektralen Anteile in ihrer Phase und Polarisation einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Modulatorelementes (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) und mindestens eines im Strahlengang (S) des Laserpulses (L) angeordneten polarisierenden Elementes (120, 121) der Laserpuls (L) in Amplitude, Phase und Polarisation unabhängig voneinander geformt wird. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Modulatorelement (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) in unabhängig voneinander ansteuerbare Pixel (a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, d1, d2, d3) gegliedert ist, die entlang einer senkrecht zum Strahlengang des Laserpulses (L) gerichteten Richtung versetzt angeordnet sind und zur Einstellung der Polarisation der spektralen Anteile des Laserpulses (L) durch vorgebbare Ansteuerungsparameter gesteuert werden. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Ansteuerungsparameter für jedes Pixel (a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, d1, d2, d3) eine Phasendifferenz vorgegeben wird, die den Polarisierungskomponenten des dem Pixel (a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, d1, d2, d3) zugeordneten spektralen Anteils des Laserpulses (L, Lx, Ly) zur Einstellung der Polarisation aufgeprägt wird. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formung des Laserpulses (L) der Verlauf der Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses (L) als Funktion der Zeit (t) vorgegeben wird, hieraus die Ansteuerungsparameter bestimmt werden und die Pixel (a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3 d1, d2, d3) des mindestens einen Modulatorelementes (a, b, c, d, ax, ay, bx, by) mit den Ansteuerungsparametern gesteuert werden. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses (L) als Funktion der Zeit (t) durch eine Spezifikation von den Laserpuls (L) ausbildenden Unterpulsen vorgegeben werden. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterpulse durch Angabe von Unterpulsintensitäten, Unterpulsabständen, Unterpulschirps, Unterpulsphasendifferenzen und/oder Unterpulspolarisationen spezifiziert werden. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserpuls (L') durch Vorgabe von spektralen Phasen-, Amplituden- und/oder Polarisationsmustern geformt wird. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Steuerung eines seriellen Pulsformers (10) zur Formung von Laserpulsen (L') ausgebildet ist. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Steuerung eines parallelen Pulsformers (10) zur Formung von Laserpulsen (L') ausgebildet ist. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Laserpuls (L') zur Wechselwirkung mit einem Stoff verwendet, ein durch die Wechselwirkung erzeugtes Anregungssignal gemessen und der geformte Laserpuls (L') anhand des Anregungssignals optimiert wird. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung iterativ erfolgt, indem Anfangswerte für die Ansteuerungsparameter zur Steuerung der Pixel (a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, d1, d2, d3) des mindestens einen Modulatorelementes (a, b, c, d, ax, ay, bx, by) vorgegeben werden, das durch den so geformten Laserpuls (L') erzeugte Anregungssignal gemessen wird und die Ansteuerungsparameter iterativ zur Optimierung des geformten Laserpulses (L') anhand des Anregungssignals angepasst werden. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass die iterative Optimierung des Laserpulses (L') durch Anpassung des vorgegebenen zeitlichen Verlaufs der Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses (L), aus denen die Ansteuerungsparameter berechnet werden, erfolgt. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die iterative Optimierung mittels eines evolutionären Algorithmus erfolgt. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass Polarisationsabhängigkeiten und/oder Frequenzabhängigkeiten der verwendeten optischen Gitter (101, 102) und/oder Zylinderlinsen (111-112) oder Zylinderspiegel durch eine Anpassung der Ansteuerungsparameter korrigiert werden. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 27 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Laserpuls (L') zur Übertragung von Informationen verwendet wird. Verfahren zur Detektion geformter Laserpulse, bei dem ein polarisationsänderndes Element, ein polarisierendes Element und ein Wechselwirkungselement im Strahlengang eines geformten Laserpulses angeordnet werden, wobei zur Messung der Intensität einer Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses eine Polarisierungskomponente aus dem geformten Laserpulse mittels des polarisationsändernden Elementes und des polarisierenden Elementes herausgefiltert und zusammen mit einem zusätzlichen, einen Referenzpuls darstellenden Laserpuls dem Wechselwirkungselement zugeführt wird, so dass durch Wechselwirkung der Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses mit dem Referenzpuls in dem Wechselwirkungselement ein Wechselwirkungssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselwirkungssignale für unterschiedliche Polarisierungskomponenten des geformten Laserpulses (L') erzeugt und gemessen werden und aus den Wechselwirkungssignalen (K) die Form des Laserpulses (L') ermittelt werden. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wechselwirkungssignal (K) ein zeitlich veränderliches Signal darstellt, das dem Kreuzkorrelationssignal des Referenzpulses (LR) mit einer Polarisierungskomponente des geformten Laserpulses (L') entspricht. Computerprogramm, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 26 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm das mindestens eine Modulatorelement (a, b, c, d, e, f, ax, ay, bx, by) steuert.






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